天河二號：世界第一超級計算機背后的故事

羅亮

自2013年6月起成為全球最快的超級計算機，天河二號的霸主位置就沒有被動搖過。

2014年6月23日，國際TOP500組織公布全球超級計算機500強排行榜最新榜單，天河二號以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續第三次獲得冠軍。（注：榜單每半年公布一次）

連續三次獲得全球超計算機冠軍，讓外界對于這臺龐大的超級計算機產生了濃厚的興趣。人們希望迫切了解這臺超級計算機的研發和應用現狀。

天河二號誕生

天河二號目前位于廣州的超級計算中心，主機房面積在4000平方米以上。

天河二號是國家科技部“十二五”863重大項目立項研制的項目，國防科技大學牽頭進行了研發工作。近300人的研發團隊從2011年開始，歷時兩年多才研制完成。

在天河二號之前，國防科技大學的團隊曾在2010年研制出了天河一號，并首次讓中國超級計算機站到了世界冠軍的領獎臺上。

然而，僅僅過了不到8個月，日本一臺名為“京”的超級計算機就將天河一號擠下冠軍臺。之后，美國研制的“紅杉”、“泰坦”超級計算機也先后坐上世界第一的交椅，天河一號排名滑落至第8名。

實際上，當外界還稱贊天河一號奪得世界第一時，天河二號的開發工作已經悄然展開。2013年6月，經過280多人長達2年多的潛心研發，天河二號正式研制成功，并很快奪回超級計算機冠軍的寶座。至今，天河二號已經連續3次成為全球最快的超級計算機。

“上學的時候，最煩的和最驕傲的事情就是學校停電。”畢業于國防科技大學的穆童（化名）每每回憶起校園生活時都會這樣說到，“學校里的那個‘龐然大物一旦全速運轉，全校就會停電，無論你是在看電視、打電腦游戲，都需要接受這一事實，就連校長也不例外。”

穆童所指的龐然大物就是天河二號，一臺運算能力驚人的超級計算機。穆童還清楚地記得，那兩年里，為了保障天河二號的研發工作，該校的校黨委還專門下發過通知，號召全校師生一起節約用電。

“在長沙30多度的夏天里，國防科技大學的校長、院長還有學生們要響應號召，關掉空調等大功率的電器，換上電風扇。”回憶這個場景時，穆童的臉上閃過一絲得意之情。

如今，國防科技大學的新生們再也體會不到這種“停電”帶來的驕傲了，因為天河二號已經從長沙的國防科技大學搬遷到廣州超級計算中心。而隨著專線電源的提供，未來天河N號的研發可能再也不會讓全校的師生們忍受長沙的酷暑了。

天河二號能夠做什么

天河二號歷時兩年多研制完成，耗資上億美元。如此巨額的投資，最終當然是為了服務國家經濟建設，而非只是標榜國家在超級計算機領域的能力已經達到怎樣的高度。

除了助力探月工程、載人航天等政府科研項目外，天河二號目前已經逐漸應用于民用領域，如石油勘探、汽車飛機的設計制造、基因測序等。

在“天河二號”一排排高大的黑色機柜里，一共裝有32000顆主CPU和48000個協處理器，共300多萬個計算核心。擁有如此多的計算核心讓它的運算速度也非常驚人。

據測算，天河二號的峰值計算速度達到每秒5.49億億次，而持續計算時的速度每秒可達3.39億億次。假設每人每秒鐘進行一次運算，“天河二號”運算一小時，相當于13億人同時用計算器算上1000年。

據專家介紹，傳統手段研發新車，一般要經過上百次碰撞實驗、歷時兩年多才能完成，而利用天河二號進行模擬，只需3-5次實車碰撞、兩個月即可實現。

此外，天河二號還可應用于娛樂產業，現在通過超級計算機制作動漫和3D電影已經成為潮流。電影《阿凡達》動漫渲染制作耗時一年多完成。如果用天河二號，僅用1個月就可制作出與《阿凡達》動漫渲染效果相當的影片。

中國商用飛機設計有限公司北京研究中心利用約2.4萬CPU核開展了大型民機全參數氣動優化設計，在天河二號計算6天，完成了其自身計算平臺約需2年的工作量，極大地提高了優化工作效率。

華大基因互聯網支撐與發展中心負責人說，天河二號具有強大的計算能力，以500人規模的全基因組信息關聯性分析為例，華大基因利用原有計算機需1年時間，利用天河二號只需3個小時。華大基因是天河一號和天河二號的大商業客戶。

據該負責人表示，華大基因使用的生物信息軟件能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程;同時天河二號強大的計算能力，可以快速滿足華大基因海量基因數據分析所需的計算資源，節省大量分析時間。

截至目前，國家超算廣州中心的天河二號在短短幾個月的運行中為120多家用戶提供了300多項典型應用計算。

更為重要的是，天河二號這樣的技術實際上可以進行復制。據天河二號主任設計師盧宇彤透露，天河一號和天河二號的技術可以用在規模小一點、用戶可以定制的“小天河”超級計算機上。“2010年，天河一號研制成功以后，實際上到2012年，‘小天河這樣的系統已經推廣了11套。”

早在2013年9月，天河二號剛剛第一次拿下“全球最快超級計算機”的名號時，新浪科技曾采訪過盧宇彤，只是當時外界對于天河二號的關注度遠沒有今天高。

能耗難題：年耗電上億元

從目前天河二號來看，計算節點的能耗約為18兆瓦，再加上散熱系統的整體能耗在20兆瓦以上。如果正常運行，天河二號每年的電費就會超過1億元，年耗電量約為2億度。

對于外界對天河二號的耗電量高的質疑，中科院計算所計算機體系結構國家重點實驗室研究員張云泉表示，雖然目前天河二號的能耗絕對值很高，但是外界應該看到它的性能也高。

張云泉的意思是說，外界也應該注意到這一點：天河二號在單位耗能內實現的計算速度更快。

目前天河二號的運算能耗比約為1.90千萬億次/秒兆瓦，落后于計算能力排名第二、第三的“泰坦”和“紅杉”，但是遠高于排名第四位的日本“京”的0.83千萬億次/秒兆瓦，也高于排名第五的“米拉”的0.92千萬億次/秒兆瓦。endprint

“泰坦”和“紅杉”的運算能耗比分別是1.95千萬億次/秒兆瓦和2.17千萬億次/秒兆瓦，運算能耗比略高于天河二號。

現如今，天河二號作為世界排名第一的超級計算機，其理論峰值性能超過了5億億次/秒，但是距離未來將要實現的100億億次/秒目標依然有著不小的差距。

目前天河二號擁有1萬多個計算節點，未來計劃將節點數量增加到3萬甚至5萬個。但隨著節點數量的提升，在管理和能耗方面的問題也將徹底凸顯出來。

“如果按現在的趨勢這樣增加下去，100億億次/秒的超算系統功耗將達到400兆瓦，肯定是無法接受的。”張云泉告訴新浪科技，國際上公認的100億億次/秒的超算標準是，功耗必須控制在20兆瓦內。

“實際上，這就要求未來的超算系統能夠進行體系結構，硬件、軟件和制冷等多方面的創新。” 張云泉說。

超算的難題：應用軟件缺失

計算能力的不斷提高是一個重要的課題，但將超級計算機應用起來顯然意義更大。

中國已經連續四屆拿下超級計算機的桂冠，但根據國際TOP500組織今年6月公布的最新全球超級計算機500強排行榜，美國仍然是擁有超級計算機最多的國家，在500強名單中占據233席。中國有76個超級計算機進入最新的500強榜單，位居世界第二。第三位至第六位，分別是日本、英國、法國和德國。

目前，我國國家級超算中心主要有天津中心、濟南中心、長沙中心、深圳中心以及廣州超算中心。這些超算中心承擔了超算推廣與應用的任務。

據行業人士介紹，按運行時間看，國內超算中心的資源利用率普遍都在70%以上，有的甚至超過80%。相比之下，國外超算中心的利用率普遍在60%左右。不過，受限于軟件開發和應用支持，國內超級計算機運行時的資源利用率低下。

上海超算中心主任奚自立在2012年接受新浪科技采訪時曾表示，上海超算中心擁有200萬億次計算能力，但是只有20%-30%運算任務能夠擴展到10萬億次，有20%-30%的計算任務能夠利用的計算力低于2萬億次。很多計算資源由于應用的問題實際上用不到，造成一定的浪費。

對于應用落后的問題，國家863計劃“高性能計算機及其核心軟件”重大專項總體組組長錢德沛教授曾指出，這主要有三個原因：第一，中國開展超級計算機業務的時間還很短;第二，超級計算人才缺乏;第三，中國軟件發展體制存在問題，由于盜版等因素沒人愿意進行大型應用開發。

據他當時透露，“十一五”期間國家在超級計算機項目上投資了9.4億元，但是真正用于應用開發的費用還不到1億元。“應用瓶頸是一個過程問題，未來這個問題還會長期存在。”

浪潮集團高性能服務器產品部總經理劉軍認為，國內超級計算機發展速度超過應用和人才方面的成長速度，導致超級計算機硬件與應用軟件之間出現了很大的鴻溝。而正是這種鴻溝的存在，讓國內企業和機構更加有緊迫感去培養人才和開發超級計算機的應用。?

（本文轉自新浪科技）endprint