“超算”離企業(yè)有多遠

趙艷秋

牙膏、香皂、洗發(fā)水和紙尿褲與那些高速運轉(zhuǎn)、需要大量空調(diào)降溫的超級計算機有關(guān)系嗎？Tom Lange是寶潔公司模擬與仿真研發(fā)部經(jīng)理，34年間一直穿梭在二者之間。“消費者會發(fā)現(xiàn)，寶潔的產(chǎn)品相對來說都比較便宜，但是他們很難了解到，為了使這些產(chǎn)品保持較低價格，寶潔要采用很復(fù)雜的技術(shù)來進行開發(fā)和生產(chǎn)。如果你看到這些復(fù)雜的機器和每臺機器上正在跳動的代碼行數(shù)，你還以為我們在做飛機制造。”Tom Lange說。

洗發(fā)水和汽車模具

消費者在貨架前徘徊，決定購買哪種洗發(fā)水時，價格往往起到很重要的作用。如果產(chǎn)品定價不當，或者不能給消費者帶來預(yù)期的價值，他們通常都不會動心。所以，Tom Lange領(lǐng)導(dǎo)的模擬與仿真團隊要做的第一個關(guān)鍵工作，就是挑選產(chǎn)品原材料并設(shè)計生產(chǎn)工藝。“最終敲定的原材料和制造工藝要使公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，消費者能夠承擔得起。”他說。

選定原材料或者制造工藝，是一件極為復(fù)雜的事。一種洗發(fā)水，Tom Lange要從上百種材料中挑選七八種來搭配，用計算機模擬搭配后的產(chǎn)品長得什么樣，在遇冷或遇熱后是否還能從瓶中很容易地倒出來……這些計算已經(jīng)超出了普通計算機的處理能力，通常需要128個甚至更多的CPU協(xié)同完成，被稱為“超級計算”，簡稱“超算”。

十多年間，超級計算在美國企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)中已成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。福特汽車利用它來模擬汽車碰撞試驗，摩托羅拉用它來設(shè)計不同形狀的手機，這些手機掉到地上不易損壞。

如今，中國企業(yè)也開始將超算用到實際生產(chǎn)中，汽車行業(yè)的相關(guān)企業(yè)是其中最早的應(yīng)用者之一。

陳惠濱，國內(nèi)最大的汽車模具企業(yè)——天津汽車模具股份有限公司CAE部長，是這家企業(yè)的核心技術(shù)骨干，他的工作是利用計算機來設(shè)計仿真汽車模具。現(xiàn)在，汽車需要越來越精細的模具，一個兩三米長的車身模具，每個關(guān)鍵面的公差都要控制在0.5毫米以下，這相當于幾根頭發(fā)絲的直徑。這給模具設(shè)計制造帶來相當?shù)碾y度，沖壓零件的精度合格率要求每提高幾個百分點，設(shè)計的計算量就會成倍增長。陳惠濱10年前進入這個行業(yè)以來，汽車模具設(shè)計中的CAE模擬工作量已經(jīng)至少增長了幾十倍。

計算量的井噴，讓陳惠濱順理成章地成為國家超級計算天津中心的首批客戶。利用超算中心為廠子分配了256個CPU，原來在廠內(nèi)計算機上要計算一兩天的模具模型，現(xiàn)在幾小時就完成了；原來一次只能設(shè)計一種方案，現(xiàn)在可以同時設(shè)計多種方案，然后挑出最優(yōu)化的結(jié)果。

除了效率提升，超算對于廠里的成本優(yōu)化相當明顯。不同汽車制造廠對模具的合格率要求從90%到100%不等。在沒用超算之前，利用普通CAE（計算機輔助工程）設(shè)計結(jié)果做出的模具，合格率一般在60%~70%之間，這些模具要經(jīng)過反復(fù)修改、再加工，才能達到客戶要求。使用超算后，模具設(shè)計可以模擬得特別精細，合格率都在90%左右，修改、重復(fù)加工和調(diào)試工作大幅降低，成本也隨之降低一半以上。

當然，讓陳惠濱感到超算便利性的地方還有資料存儲問題。因為大型制件如整體側(cè)圍每次精確CAE成型模擬的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量都在10GB以上，以前公司內(nèi)部沒有足夠大的存儲空間，設(shè)計過程數(shù)據(jù)基本兩三天就要清除一次。現(xiàn)在，公司內(nèi)大量的模擬文件都可以保存在超算中心的存儲平臺上，要做進一步研發(fā)時就很方便。

使用者的“資格”

國內(nèi)外企業(yè)都用超算，但國內(nèi)找不到消費品企業(yè)的超算案例。在國外，生產(chǎn)紙尿褲的企業(yè)會利用超算計算液體如何流動，產(chǎn)品怎樣設(shè)計才不淹孩子的屁股；生產(chǎn)薯片的企業(yè)會計算薯片從什么方向切，在運輸中更不容易碎……但在國內(nèi)，超算項目更多的是氣象、石油、航天等這類大型工程。

國內(nèi)企業(yè)很多時候發(fā)現(xiàn)國外同行的產(chǎn)品突然有了一個小拐角，但不知道為什么——是為了更結(jié)實，還是節(jié)省成本？這些細微之處的背后很可能有超算。正因為如此，大多數(shù)“普普通通的國內(nèi)企業(yè)”在研發(fā)和成本控制方面并沒有用超算的打算。

但在陳惠濱看來，超算并不只是大企業(yè)、大項目的權(quán)利。他在意大利拜訪菲亞特的一個合作伙伴，發(fā)現(xiàn)在這個只有十幾個人的小公司里，每位員工都在用強大的計算平臺做工程仿真。陳惠濱感到，只要有計算需求，企業(yè)就完全可以用。

不過，現(xiàn)實中，中小企業(yè)用超算需要一定的“資格”。

第一個資格是數(shù)字化制造的普及。天津汽車模具在十年間積累了兩樣東西——如何根據(jù)不同的模具設(shè)計方案設(shè)定輸入模型的參數(shù)；如何評判仿真結(jié)果，解決問題——這兩樣東西都是人和機器融合得到的經(jīng)驗，不是靠搭建軟硬件平臺和招收幾個員工就能得到的。

第二是資金。從經(jīng)濟角度衡量，大多數(shù)中小企業(yè)還用不起超算。陳惠濱算了一本賬，如果企業(yè)自己投資，每隔三四年，軟硬件的升級費用就要上百萬元，多數(shù)企業(yè)目前經(jīng)受不起這樣的頻繁升級；按照超算中心目前對外的收費模式——每個CPU按小時計費，超算一般要用到上百個CPU，這也是“接受不了的”。

云來統(tǒng)籌

在順利過渡到超算之后，現(xiàn)在陳惠濱會在晚上把作業(yè)和數(shù)據(jù)“丟”到超算中心，早上一上班就能看到各種設(shè)計結(jié)果。

這很像云計算，不管你在哪里，通過終端提交需求，再在終端上獲得結(jié)果。那么，超算和云計算有什么關(guān)聯(lián)？

胡松年，中科院北京基因組研究所研究員，他進行的水稻、微生物和人類基因組等研究項目需要的計算量極為龐大，2008年，他就使用了10萬億次/秒的超算平臺，今年，他已開始用40萬億次/秒的超算平臺了，存儲容量也提升到1P以上。這樣的計算量是普通機器計算上百年可能都完不成的任務(wù)。

云雖然是一種商業(yè)概念，但支撐它的底層技術(shù)，很多來自超算。同時，超算成為云調(diào)度統(tǒng)籌的一部分，就需要摘下神秘面紗，更為親民。“即使是現(xiàn)在，企業(yè)要用超算，技術(shù)人員一般要在電腦上敲一堆字符命令，遠程登陸，這跟消費者天天接觸的云很不同。”浪潮集團高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍說，“不過，我們正讓超算的專業(yè)化軟件更易于使用，包括改變作業(yè)的提交方式、監(jiān)控方式和數(shù)據(jù)輸入輸出方式。”

脆弱的應(yīng)用軟件環(huán)節(jié)

看上去，超算和人的互動將越來越美妙。不過，在很多時候，龐大的超算系統(tǒng)還很不給力。

電影《阿凡達2》要推遲上映了。大導(dǎo)演詹姆斯.卡梅隆承認，這個本來計劃2014年底上映的大片，觀眾最早也要等到2016年才能看到。這是因為在續(xù)集中那些我們從未見過的神奇世界——潘多拉星球海洋——將完全在超算平臺上用虛擬化的方式創(chuàng)造出來。可是相應(yīng)的電影制作軟件還在開發(fā)中，這次制作過程將是一個“非常艱苦的探索”。

即便是在超算已經(jīng)發(fā)展了30多年的美國，為了把這些計算峰值達到幾百萬億次/秒、幾千萬億次/秒的龐大機器真正調(diào)動起來，應(yīng)用軟件的開發(fā)也不是件輕松的事。而沒有好的軟件，那些硬件設(shè)備將只是一堆既占地又耗能的“大型沉寂物”。

在中國，超算的應(yīng)用環(huán)節(jié)更為脆弱，能夠數(shù)得出的超算軟件鳳毛麟角。

賴能和，中國石油東方地球物理公司研究院處理中心的總工程師，國內(nèi)最早一批涉足石油超算應(yīng)用的行業(yè)人士。上世紀80年代，當中石油開始競標國際石油勘探項目后，全球最大的石油勘探公司——西方地球物理公司就再也不把石油勘探軟件賣給中國人了。為此，中國石油東方地球物理公司投入了巨大的人力和財力，開發(fā)出自主全國產(chǎn)的石油勘探處理解釋一體化軟件GeoEast。

不過，業(yè)內(nèi)有個有意思的現(xiàn)象，僅僅是行業(yè)人士開發(fā)的應(yīng)用軟件，通常做不大——他們雖然了解自身需求，但對性能擴展優(yōu)化并不在行。2011年，中石油東方地球物理公司和浪潮在委內(nèi)瑞拉的合作顯示出聯(lián)手的力量。當時，中石油在號稱“石油天堂”的委內(nèi)瑞拉勘探石油，不過，他們只能在租用的幾個賓館房間內(nèi)搭建一套原本龐大的超算系統(tǒng)。受限于環(huán)境，中石油只能在提高平臺效率上打主意，把原先的“大超算”變成“小超算”。

中石油東方地球物理公司提供軟件算法，浪潮將GPU加速技術(shù)引入，完成算法移植和優(yōu)化。最終，機器規(guī)模縮減到原來的1/5，而中石油也在委內(nèi)瑞拉規(guī)定的20天內(nèi)完成了2000平方公里的全部石油勘探工作。

這個項目也給劉軍很深的感觸。在超算行業(yè)打拼15年來，劉軍一直把美國ANSYS公司作為超算應(yīng)用軟件發(fā)展的目標和夢想。在過去42年間，這家位于賓夕法尼亞的企業(yè)一直沒有停止積累的腳步，自主開發(fā)也好，兼并也罷，目前它在全球工程設(shè)計模擬仿真軟件領(lǐng)域獨霸一方。“中國要出現(xiàn)ANSYS，也要把時間尺度放長到二三十年。這不是大躍進方式做的事，需要我們沉下心在算法研究、并行優(yōu)化、人才培育上做功課。”

目前浪潮有個幾十個人的團隊與行業(yè)人士合作開發(fā)石油勘探、數(shù)值氣象預(yù)報、基因測序、金融風險分析、工程設(shè)計等應(yīng)用軟件。最近，浪潮還主辦了中國首屆大學生超級計算機競賽。劉軍說，通過大賽期間的鍛煉，他希望學生們在學校期間就能建立一種思維方式——超算不能只比拼硬件，要強調(diào)應(yīng)用，從應(yīng)用的角度來配置系統(tǒng)。這樣，當這批年輕學生走入各個行業(yè)，那個消費者看不見的超算，才能讓我們的日常消費體驗更加美好。