每秒鐘運(yùn)算十億億次、百億億次的超級計算機(jī)，正在為人們生產(chǎn)生活服務(wù)

谷業(yè)凱

? ? ? ? ? ?目前，在紀(jì)念中國超級計算事業(yè)發(fā)展四十年鱉國家超級計算，天津中心成立十周年活動上，展示了“天河三號”百億億次原型機(jī)。

日前，第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告2019》顯示，我國網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)自主創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，新一代百億億次（E級）超級計算機(jī)的原型機(jī)型研制完成。國家“十三五”高性能計算專項課題3個E級超算的原型機(jī)系統(tǒng)——神威E級原型機(jī)、“天河三號”E級原型機(jī)和曙光E級原型機(jī)系統(tǒng)也已全部完成交付。

超算，即超級計算或高性能計算，是計算機(jī)界“皇冠上的明珠”，也被視為科技突破的“發(fā)動機(jī)”。隨著應(yīng)用的不斷開發(fā)與完善，超算服務(wù)著科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方方面面，成為解決人類難題的“超強(qiáng)大腦”。

超算在最尖端科研領(lǐng)域、最前沿產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得一系列創(chuàng)新成果

“編號為臺風(fēng)胚胎96W的熱帶云團(tuán)未來將緩慢向巴士海峽以東洋面靠近，強(qiáng)度將略有加強(qiáng)，而臺風(fēng)胚胎97W則可能在大洋深處向著西北方向移動……”10月16日，衛(wèi)星云圖上，一片片熱帶云團(tuán)正在西太平洋上活躍，超級計算機(jī)早已對臺風(fēng)胚胎有所覺察，并在集合預(yù)報中對它們的動向給出了判斷。

“氣象領(lǐng)域計算機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，提高了天氣氣候預(yù)報時效和為國家服務(wù)的水平?！敝袊こ淘涸菏坷顫纱徽f，20世紀(jì)80年代，我國建立首個中期（十天）數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，計算能力當(dāng)時就成為能否實行業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報的關(guān)鍵，只有能力足夠大的計算機(jī)才能把業(yè)務(wù)方案中復(fù)雜的物理過程計算好，才能在規(guī)定的時段內(nèi)計算出預(yù)報結(jié)果。

從1983年我國第一臺每秒鐘運(yùn)算一億次以上的“銀河一號”巨型計算機(jī)的研制成功，到曙光系列、天河系列、神威系列的相繼問世，我國成為世界上第三個具備研制高端計算機(jī)系統(tǒng)能力的國家。超級計算機(jī)成為高端信息技術(shù)又一新的制高點，對國家安全、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。

“超算技術(shù)不僅僅要放在實驗室里面做理論研究，更重要的是與行業(yè)應(yīng)用、客戶需求相結(jié)合，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來價值?！甭?lián)想集團(tuán)高級副總裁童夫堯說。

完成500人規(guī)模的全基因組信息關(guān)聯(lián)性分析，利用原有計算機(jī)需1年，利用“天河二號”只需3個小時;研制一架大飛機(jī)，過去需耗費(fèi)2年時間做全機(jī)風(fēng)動試驗，利用超級計算機(jī)模擬仿真，6天就能完成;國家超級計算長沙中心的人工智能篩查機(jī)器人，3至5分鐘就能精確“問診”骨質(zhì)疏松癥，準(zhǔn)確率超過90%……

目前，我國先后在天津、長沙、廣州等地建成6家國家級超算中心，在最尖端的科研領(lǐng)域——如大氣變化模擬、生命科學(xué)、天體物理的研究中，以及在最前沿的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域——如石油開采、新藥研發(fā)、工業(yè)仿真計算等課題中，取得了一系列創(chuàng)新成果?！疤旌右惶枴背売嬎銠C(jī)已應(yīng)用10年，是世界上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時間最長的超級計算機(jī)之一，它每天服務(wù)8000多個科研計算任務(wù)，累計支持國家科技重大專項和研發(fā)計劃超過1600項。新一代百億億次超級計算機(jī)“天河三號”原型機(jī)自2018年7月開放應(yīng)用以來，目前已為30余家合作單位完成了大規(guī)模并行應(yīng)用測試。

“十三五”國家重點研發(fā)專項“高性能計算”總體專家組組長錢德沛認(rèn)為，超級計算機(jī)的發(fā)展根本動力來自于需求。要研發(fā)一批關(guān)鍵的應(yīng)用軟件，建立具有世界一流資源能力和服務(wù)水平的國家高性能服務(wù)環(huán)境，促進(jìn)我國計算服務(wù)業(yè)發(fā)展。

大數(shù)據(jù)時代，“融合計算”

成為超算應(yīng)用的關(guān)鍵詞

隨著大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，“融合計算”成為超級計算應(yīng)用的關(guān)鍵詞。

“進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，對計算能力提出了非常高的要求。”中國石油東方地球物理研究院數(shù)據(jù)中心總工程師賴能和介紹說，石油勘探是超算應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，超算堪稱“找油”利器。地球物理勘探技術(shù)相當(dāng)于給地表“做CT”，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可達(dá)到千萬億字節(jié)（PB）級別。為了提升勘探精度，必須使用超算技術(shù)來處理海量的數(shù)據(jù)。

“超算與物理勘探技術(shù)實現(xiàn)了相互促進(jìn)。如果沒有超級計算技術(shù)的話，物理勘探的很多算法無法實現(xiàn)，更談不上高精度勘探、高精度成像?！辟嚹芎驼f。

在汽車研發(fā)體系中，仿真計算扮演著關(guān)鍵角色，許多主流汽車廠商的整車研發(fā)過程大都通過超算仿真設(shè)計來完成，有效縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)投入，提升產(chǎn)品的技術(shù)附加值?；凇疤旌右惶枴迸c云計算等技術(shù)的融合，國家超算天津中心構(gòu)建了一個集高性能計算與可視化分析處理于一體的汽車研發(fā)公共服務(wù)平臺。在中國科學(xué)院計算所所長孫凝暉看來，超算未來也會以云計算的方式來提供服務(wù)、走向用戶?；谌斯ぶ悄艿母咝阅苡嬎銘?yīng)用也呈加速態(tài)勢。在電力領(lǐng)域，仿真計算和人工智能識別技術(shù)相結(jié)合，就能更加準(zhǔn)確地模擬、預(yù)知雨雪冰凍災(zāi)害對電網(wǎng)造成的破壞。聯(lián)想研究院企業(yè)云和無線實驗室負(fù)責(zé)人黃瑩認(rèn)為，傳統(tǒng)的高性能計算以高度的計算要求完成工作，“新的計算”要求人工智能模型與高性能計算更好結(jié)合。

與人工智能、大數(shù)據(jù)的融合發(fā)展，也將促進(jìn)下一代超算的演進(jìn)。“可以預(yù)見的是，這些新技術(shù)也會對未來超級計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?！卞X德沛說。

從“制好”轉(zhuǎn)化為“用好”，

讓超算真正“中看又中用”

今年6月，國際超級計算大會發(fā)布了全球超算500強(qiáng)最新榜單。中國境內(nèi)有219臺超算上榜，上榜數(shù)量連續(xù)第四次位居第一;“神威·太湖之光”和“天河二號”繼續(xù)排在運(yùn)算速度第三、第四位;聯(lián)想、浪潮和中科曙光3家中國企業(yè)分別以173臺、71臺和63臺的數(shù)量位居全球超算制造商前三位。

在運(yùn)行應(yīng)用方面，我國不僅實現(xiàn)了30年來國際高性能計算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎“戈登貝爾”獎零的突破，而且連續(xù)有項目入圍該獎項，逐步構(gòu)建起相對完善的應(yīng)用生態(tài)。在自主創(chuàng)新的支撐下，我國超算在應(yīng)用方面展現(xiàn)出一定的實力。

不過，還要看到，國內(nèi)超算的制造優(yōu)勢與應(yīng)用優(yōu)勢不相匹配，“重技術(shù)、輕應(yīng)用，重硬件、輕軟件”問題仍較為突出，資源不足和資源利用不充分的現(xiàn)象同時存在。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)不少重要應(yīng)用仍需采購國外昂貴的商業(yè)軟件，一些大型企業(yè)研發(fā)的應(yīng)用軟件多數(shù)停留在自研自用層面，缺少產(chǎn)業(yè)化推廣。如何扭轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不夠的局面，將“制好”優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“用好”優(yōu)勢，是我國超算亟待解決的問題。

“用，不是簡單的用，而是要對機(jī)器性能、功能、使用方便性，包括需要什么樣的系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件等提出要求，這些要求正是我們研制超級計算機(jī)的目的。”北京航空航天大學(xué)教授、聯(lián)想集團(tuán)首席科學(xué)家祝明發(fā)指出，只有讓產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，才能有效帶動超算健康發(fā)展。

如何讓中國超算做到真正“中看又中用”？

超算用得好，首先要立足于自主創(chuàng)新。“自主可控不是一個可選項，而是唯一的出路?！卞X德沛指出，“自主可控和開放合作并不矛盾，我們只有自身強(qiáng)，有過硬的技術(shù)，才有可能廣泛地開展合作?！?/p>

超算用得好，要加強(qiáng)對應(yīng)用軟件研發(fā)的支持力度。錢德沛說，讓原本封閉使用的應(yīng)用軟件“走出去”，讓成千上萬的人用起來，找到漏洞、進(jìn)行改正，效率會提升，適配性、兼容性問題也會進(jìn)一步解決。

專家也指出，超算應(yīng)用開發(fā)不足與配套人才較少直接相關(guān)，但目前培養(yǎng)高性能計算軟件人才的大學(xué)不多。應(yīng)該立足行業(yè)，培養(yǎng)各類高性能應(yīng)用軟件的開發(fā)及應(yīng)用人才，特別是交叉型應(yīng)用人才，積極拓展多種形式的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人才培養(yǎng)模式，補(bǔ)齊軟件人才短板。