近幾年來，我們經(jīng)常會(huì)聽到智能醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、AI大戰(zhàn)圍棋高手等熱點(diǎn)詞匯或事件。對(duì)于這些詞匯，大家能想象到的可能是一臺(tái)醫(yī)療儀器，一輛汽車，也可能會(huì)以為和圍棋高手對(duì)戰(zhàn)的只是那臺(tái)小小的電腦。但事實(shí)并非如此，在它們背后，有我們看不到的龐然大物：超級(jí)計(jì)算機(jī)。?

　　計(jì)算機(jī)電腦，我們并不陌生，但超級(jí)計(jì)算機(jī)似乎離我們的生活很遙遠(yuǎn)，今天就跟大家聊一聊，我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”背后的故事。??

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的一類計(jì)算機(jī)。經(jīng)常被用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，或者科學(xué)家通過對(duì)數(shù)值模擬來預(yù)測和解釋以前無法實(shí)驗(yàn)的自然現(xiàn)象，肩負(fù)著運(yùn)行大型計(jì)算的使命。?

　　簡單來說，超級(jí)計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成其實(shí)和我們個(gè)人電腦的概念并沒有太大的差異，但規(guī)格與性能則強(qiáng)大很多。例如，家用電腦一般只有一個(gè)CPU，每個(gè)CPU內(nèi)一般只有2個(gè)到8個(gè)物理核心；而一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)則有成千上萬顆CPU，每顆CPU內(nèi)通常有幾十個(gè)物理核心，于是超級(jí)計(jì)算機(jī)就成了這樣一臺(tái)由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器組成的、能計(jì)算普通PC機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題的計(jì)算機(jī)。?

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)最大特點(diǎn)是在于它具有超強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，運(yùn)算速度可達(dá)到每秒萬億次以上。?

　　CPU，也叫中央處理器，是一塊超大規(guī)模的集成電路。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。我們可以把CPU理解成人類的大腦，發(fā)現(xiàn)了問題就相當(dāng)于輸入了數(shù)據(jù)，這時(shí)大腦就會(huì)根據(jù)問題進(jìn)行處理，處理的速度取決于大腦，也就是CPU的性能，性能越強(qiáng)，收到處理結(jié)果的速度就越快。?

　　2007年11月，美國研制出了世界第一臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，峰值計(jì)算速度每秒1456萬億次。在2009年6月公布的世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，美國占據(jù)291席，歐洲占據(jù)145席，而且前10名全都是美國產(chǎn)品。與發(fā)達(dá)國家相比，我國不僅在計(jì)算能力上相差一個(gè)量級(jí)，裝機(jī)數(shù)量上也有所差距。?

　　在日新月異、競爭激烈的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域，不進(jìn)則退是十分現(xiàn)實(shí)而殘酷的生存法則。因此，面對(duì)高性能計(jì)算領(lǐng)域的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，中國國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的科研人員再次吹響了研制“天河一號(hào)”的號(hào)角。?

　　為了打造屬于自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)，天河團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持自主創(chuàng)新，潛心攻關(guān)，甚至在研制過程中還展開了一場極富創(chuàng)意的“主動(dòng)出擊戰(zhàn)”。在當(dāng)時(shí)，我國研討制定的方案是：先研制兩臺(tái)百萬次超級(jí)計(jì)算機(jī)，再研制一臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的“兩步走”計(jì)劃。但天河團(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入地技術(shù)調(diào)研和反復(fù)地權(quán)衡利弊，決定從每秒10萬億次直接沖刺每秒1000萬億次，走別人沒有走過的CPU加GPU技術(shù)路線，這一超常決策引起了人們的一片嘩然。?

　　要知道，以10倍速度逐步遞增來研制超級(jí)計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為了國際慣例。從每秒10萬億次直接向每秒1000萬億次跨越，大多數(shù)人都對(duì)這一決策能否成功持有懷疑的態(tài)度。?

　　按常理來說，CPU是用來計(jì)算數(shù)據(jù)的，GPU是用來進(jìn)行圖形和視頻處理的，如果把GPU用來計(jì)算，不僅會(huì)讓編程很難，而且計(jì)算效率也很低。但GPU具有并行度高、功耗低、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，如果能在用于科學(xué)計(jì)算上取得突破，將具有十分突出的優(yōu)勢。?

　　為此，天河團(tuán)隊(duì)大力攻關(guān)，不斷地進(jìn)行可行性驗(yàn)證。那一段時(shí)間，晚上的研究室燈火通明，大家廢寢忘食，想要攻克這一難題。2009年3月，天河團(tuán)隊(duì)把CPU和GPU組合起來，發(fā)現(xiàn)總性能竟然還不到600億次，而一顆CPU就有近500億次的性能。也就是說GPU雖然用于圖像處理速度驚人，但讓它與CPU放在一塊用于科學(xué)計(jì)算，就變得非常懶惰，計(jì)算效能只有20%左右。?

　　失敗的滋味并不好受，但是他們并沒有氣餒，而是連續(xù)突擊奮戰(zhàn)四個(gè)月，先后改進(jìn)優(yōu)化了8萬多次，創(chuàng)造了一個(gè)科學(xué)奇跡：那就是在國際上首創(chuàng)了CPU和GPU相結(jié)合的異構(gòu)融合計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，把GPU計(jì)算效能提高到70%以上，達(dá)到了世界最高水平！?

　　到了2009年10月29日，天河團(tuán)隊(duì)成功研制出了我國第一臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”。一年后，升級(jí)改進(jìn)的“天河一號(hào)”在第36屆國際超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜上取得了排名第一的好成績。?

　　作為當(dāng)時(shí)世界上運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，持續(xù)速度可以達(dá)到每秒2570萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算、峰值速度為4700萬億次。如果換算成我們民用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，“天河一號(hào)”運(yùn)算1小時(shí)，相當(dāng)于13億人同時(shí)計(jì)算340年以上。??

　　經(jīng)過我國科研人員多年的努力，終于打破了美國在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長期一家獨(dú)大的局面，這也標(biāo)志著我國自主研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)水平跨入世界領(lǐng)先行列。?

　　但在我們歡呼慶祝的同時(shí)，需要知道我國的科研團(tuán)隊(duì)在奮起直追的路上，有多少個(gè)不眠之夜，又有多少次激流勇進(jìn)?？梢哉f，“天河一號(hào)”的成功，不僅來自于科研人員的辛苦鉆研，還來自超強(qiáng)的膽魄以及超出常人的科研精神。?

　　就拿通信光纖的鋪設(shè)來說，當(dāng)時(shí)“天河一號(hào)”需要進(jìn)駐國家超算天津中心，因?yàn)槭鞘灼诠こ?，所以時(shí)間緊、任務(wù)重。但在施工第一天，鋪設(shè)工程就遇到了關(guān)鍵性問題，原來施工人員剛鋪設(shè)幾根通信光纖，就發(fā)現(xiàn)在40多攝氏度的高溫下，水泥表面太過粗糙，光纖的絕緣膠皮很容易被磨出道道裂痕，個(gè)別地方甚至還露出線芯。如果這個(gè)問題不解決，輕者會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中斷、通信短路，嚴(yán)重時(shí)還可能造成系統(tǒng)紊亂，影響“天河一號(hào)”的運(yùn)行。?

　　由于項(xiàng)目時(shí)間緊張，施工人員來不及多想，便紛紛跳進(jìn)悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上，用身體鋪就了一條“人肉地毯”，從而將15000根通信光纖毫發(fā)無損地鋪設(shè)完畢。就這樣，等到“天河一號(hào)”試機(jī)那天，才使得打開機(jī)器的一瞬，全部通信線路暢通無阻。?

　　聽完研制“天河一號(hào)”的艱辛過程，或許有人會(huì)有疑惑：科研團(tuán)隊(duì)不辭辛苦，投入大量的人力、物力、財(cái)力制造出來的“天河一號(hào)”到底有什么作用呢？?

　　其實(shí)，“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)與我們老百姓的生活是密切相關(guān)的，它的應(yīng)用可以簡單通俗地概括為三個(gè)方面：即算天、算地、算人。?

　　所謂的“算天”，就是借助超級(jí)計(jì)算機(jī)預(yù)測氣候的變化，提供有關(guān)發(fā)生可能性低、但破壞性大的氣象事件的預(yù)警，這樣就可以減輕極端天氣給人類帶來的傷害。同樣，對(duì)于天氣情況的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)也需要具備迅速完成大量運(yùn)算的能力，比如我國自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的“銀河Ⅱ型”大型機(jī)就曾經(jīng)被使用于天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域；在2008年北京奧運(yùn)會(huì)中，北京氣象局也采用了超級(jí)計(jì)算機(jī)來為北京及周邊地區(qū)提供精確到小時(shí)的天氣預(yù)報(bào)。此外，超級(jí)計(jì)算機(jī)在航天領(lǐng)域同樣展現(xiàn)了絕佳的性能。?

　　?“算地”，就是相當(dāng)于給地球做“CT”。比如，超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)地震的模擬，可以讓我們更好地對(duì)地震進(jìn)行預(yù)測；而且，超級(jí)計(jì)算機(jī)還能對(duì)石油勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，想把石油、天然氣資源盡量多地開采出來，都需要利用高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理。目前，“天河一號(hào)”已經(jīng)在石油勘探方面獲得了成功的應(yīng)用。?

　　而“算人”則是指探索人類大腦的秘密、破解人類基因密碼。如今，超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用觸角已經(jīng)延伸到生命科學(xué)研究等領(lǐng)域。借助超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類研制新藥的周期會(huì)大大縮短，還可以為疾病的治療提供革命性的方法。目前，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院已經(jīng)在“天河一號(hào)”上進(jìn)行了以胰島素受體為靶點(diǎn)的糖尿病新型治療藥物的研發(fā)。?

　　實(shí)際上，除了算天、算地、算人之外，超級(jí)計(jì)算機(jī)還可以為經(jīng)濟(jì)、科技、國防等領(lǐng)域存在的一系列復(fù)雜、大型的問題提供計(jì)算上的支持，解決普通計(jì)算機(jī)難以解決的“挑戰(zhàn)性問題”。而這正是科研工作者投入大量精力、時(shí)間去研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的根本原因。



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