楊廣文：用超級(jí)計(jì)算機(jī)為科研提供助力

盧茹彩

“作為第一臺(tái)完全使用國(guó)產(chǎn)處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)，‘神威·太湖之光展現(xiàn)了中國(guó)在設(shè)計(jì)和制造高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的成就，跟美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家比較，我們的研制水平已經(jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。”

2016年6月20日，在德國(guó)法蘭克福2016國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)上，國(guó)際TOP500組織發(fā)布了最新的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排名榜單，中國(guó)的“神威·太湖之光”榮登全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜TOP500榜首。

這是中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)第七次登上這一排行的榜首，2015年排名第一的“天河二號(hào)”今年退居第二位。“作為第一臺(tái)完全使用國(guó)產(chǎn)處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)，‘神威·太湖之光展現(xiàn)了中國(guó)在設(shè)計(jì)和制造高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的成就，跟美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家比較，我們的研制水平已經(jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。”在接受記者采訪時(shí)，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心主任楊廣文說(shuō)。

國(guó)家戰(zhàn)略

“神威·太湖之光”在6月份發(fā)布之前，任何人都不允許參觀位于國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心的機(jī)房重地。不過(guò)在記者采訪時(shí)，這個(gè)禁令已經(jīng)解除。跟隨楊廣文教授通過(guò)一道道需要刷指紋進(jìn)入的大門，記者穿上印有“神威”和國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心字樣的工作服，對(duì)這套世界上運(yùn)算能力最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有了一個(gè)直觀的認(rèn)知。

出生于1963年的楊廣文從外表看就是個(gè)典型的學(xué)者形象：瘦削，但帶著科技工作者的自信。他說(shuō)，自己雖然從1994年就開始接觸超級(jí)計(jì)算，但真正“進(jìn)入狀態(tài)”與超級(jí)計(jì)算結(jié)下不解之緣，要從2002年進(jìn)入國(guó)家“863計(jì)劃”（“高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”，旨在提高中國(guó)自主創(chuàng)新能力、以前沿技術(shù)研究發(fā)展為重點(diǎn)，因啟動(dòng)于1986年3月而得名）專家行列開始。

1983年，隨著中國(guó)第一臺(tái)每秒鐘運(yùn)算1億次以上的“銀河一號(hào)”研究成功，中國(guó)才真正開始跨入超算領(lǐng)域，但距離發(fā)達(dá)國(guó)家的差距巨大。2009年，國(guó)防科技大學(xué)在“天河一號(hào)”基礎(chǔ)上推出了擁有每秒4700萬(wàn)億次的峰值性能及每秒2570萬(wàn)億次LINPACK實(shí)測(cè)值的“天河一號(hào)A”，榮登了第36屆全球HPC TOP500第一名寶座，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破。此后，“天河二號(hào)”六次蟬聯(lián)世界第一，直到被“神威·太湖之光”取代。

“雖說(shuō)‘神威·太湖之光的研發(fā)只用了兩年的時(shí)間，但這是建立在中國(guó)之前在超算領(lǐng)域多年的積累基礎(chǔ)上的。”楊廣文說(shuō)，“‘神威·太湖之光最大的亮點(diǎn)就是自主可控，從芯片制造到軟件研制及應(yīng)用研發(fā)等，都是我們國(guó)家自主研發(fā)的技術(shù)。而且，它的能耗非常低。”

作為世界上首臺(tái)峰值計(jì)算速度超過(guò)10億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，“神威·太湖之光”的峰值計(jì)算速度達(dá)每秒12.54億億次，持續(xù)計(jì)算速度每秒9.3億億次（是“天河二號(hào)”的近3倍），每瓦特提供的計(jì)算性能是6.051G浮點(diǎn)結(jié)果（也就是說(shuō)，性能功耗比為每瓦60.51億次）。“這聽起來(lái)沒什么感覺，但是跟美國(guó)和日本最好的系統(tǒng)來(lái)比，美國(guó)大概是2G，日本的是1G，我們的能耗比提升了3倍。”清華大學(xué)地球科學(xué)中心副教授、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心副主任付昊桓解釋說(shuō)。作為前往德國(guó)參加超算大會(huì)并進(jìn)行發(fā)布的中方負(fù)責(zé)人，付昊桓說(shuō)：“神威的整個(gè)系統(tǒng)由4萬(wàn)塊芯片構(gòu)成，每個(gè)芯片有260個(gè)核，整個(gè)系統(tǒng)超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)核，本身在一個(gè)系統(tǒng)工作就是一個(gè)創(chuàng)舉，而且能耗比又有這么大的提升，在場(chǎng)的美、日等國(guó)專家也非常受震撼。”

付昊桓說(shuō)，“神威·太湖之光”整套系統(tǒng)投入18億元人民幣，“這聽起來(lái)很多，但實(shí)際上，國(guó)外專家認(rèn)為，能花這么少的錢造出這樣的一套系統(tǒng)，對(duì)他們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的沖擊”。

“超級(jí)計(jì)算機(jī)作為國(guó)家的戰(zhàn)略高技術(shù)，不管是否賺錢，是作為國(guó)家戰(zhàn)略來(lái)做的。”楊廣文說(shuō)，自“863計(jì)劃”啟動(dòng)以來(lái)，國(guó)家這么多年持續(xù)支持高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)，這在科研項(xiàng)目中并不多見。“我認(rèn)為，一是為打破國(guó)際封鎖，以前我們買回來(lái)的機(jī)器有固定用途，美國(guó)人要看著我們用，這個(gè)對(duì)我們國(guó)家來(lái)說(shuō)是挺‘打臉的。”

2015年，采用美國(guó)英特爾芯片的“天河二號(hào)”遭到美國(guó)禁運(yùn)，因不能在原系統(tǒng)上擴(kuò)展，不得不改變了原有的研發(fā)路線。而跟“天河二號(hào)”同期規(guī)劃立項(xiàng)的“神威·太湖之光”一開始就設(shè)計(jì)走自主研發(fā)的路子。“我們建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，特別提倡自主技術(shù)，在超算這個(gè)領(lǐng)域國(guó)家早有布局，支持走不同的發(fā)展路線。”楊廣文說(shuō)，“由于布局早，我們也正好起到打破美國(guó)技術(shù)壁壘的作用。”

2016年7月15日，吉尼斯世界紀(jì)錄正式宣布“神威·太湖之光”為世界上“運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)”。吉尼斯世界紀(jì)錄大中華區(qū)總裁羅文在向楊廣文頒發(fā)吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證書時(shí)表示：“這一紀(jì)錄代表著中國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的歷史性突破。”

楊廣文說(shuō)，目前，中國(guó)對(duì)超算的需求非常大。在清華大學(xué)，他負(fù)責(zé)管理學(xué)校的一臺(tái)超算，35個(gè)院系200多個(gè)科技組都在用這臺(tái)機(jī)器，每年支持上百篇一流的論文發(fā)表。因此他認(rèn)為，國(guó)防安全、航空航天、天氣氣候、工業(yè)制造、新藥創(chuàng)制等各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算的需求越來(lái)越旺盛，這也是中國(guó)加大投入做超算研究的原因之一。

致力應(yīng)用

2010年底從美國(guó)斯坦福大學(xué)回到清華任教的付昊桓清晰地記得，當(dāng)時(shí)，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)A”剛剛摘得世界第一的桂冠。“我們清華一位研究氣候的老師作為用戶去觀禮，機(jī)器發(fā)布后，馬上有美國(guó)的同行問(wèn)，你們的機(jī)器是拿了世界第一，那么應(yīng)用呢？這么一臺(tái)機(jī)器你們中國(guó)人是否能用起來(lái)？”付昊桓說(shuō)，“這表達(dá)了對(duì)中國(guó)超算的質(zhì)疑，包括CPU和芯片都是美國(guó)引進(jìn)的，更多體現(xiàn)的是集成能力，而能否推動(dòng)應(yīng)用、解決科學(xué)的問(wèn)題才是超算更應(yīng)該關(guān)注的。”

也正是基于應(yīng)用的考慮，楊廣文說(shuō)，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心從系統(tǒng)原型研制開始，就一直堅(jiān)持機(jī)器測(cè)試與應(yīng)用開發(fā)同步進(jìn)行。因此系統(tǒng)從2015年12月開始試運(yùn)行以來(lái)半年多時(shí)間，已經(jīng)有天氣氣候、航空航天、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、船舶工程、新材料和先進(jìn)制造等19個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的科研工作者在這套系統(tǒng)上取得了60多項(xiàng)應(yīng)用成果。其中，由中科院軟件所、清華大學(xué)和北京師范大學(xué)申報(bào)的“全球大氣非靜力云分辨模擬”課題，由國(guó)家海洋局海洋一所和清華大學(xué)申報(bào)的“全球高分辨率海浪數(shù)值模式”課題，由中科院網(wǎng)絡(luò)中心申報(bào)的“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場(chǎng)模擬”課題分別入圍了2016年的“戈登貝爾獎(jiǎng)”。

“戈登貝爾獎(jiǎng)”是世界高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)，設(shè)立于1987年。付昊桓說(shuō)，在最開始的近20年中，只有美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)拿到這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，直到日本在2002年推出的“地球模擬器”打破了這一紀(jì)錄。一直到今天，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)一直被美、日以及少量歐洲的科研機(jī)構(gòu)包攬。“中國(guó)在此之前從來(lái)沒有入圍過(guò)，即便‘天河二號(hào)連續(xù)三年六次世界第一，但是也從來(lái)沒有中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用課題入圍。”付昊桓說(shuō)，“而今年，全世界共有六個(gè)課題入圍，來(lái)自中國(guó)的就有三個(gè)，都是中國(guó)的團(tuán)隊(duì)在‘神威·太湖之光上做的應(yīng)用。”付昊桓說(shuō)，這讓大家“歡欣鼓舞”。

關(guān)于神威的計(jì)算能力，應(yīng)用課題的參與人員有更多的體會(huì)。國(guó)家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在該系統(tǒng)上完成的“天宮一號(hào)”飛行器兩艙簡(jiǎn)化外形隕落飛行大規(guī)模并行計(jì)算，在20天內(nèi)完成了常規(guī)需要12個(gè)月的計(jì)算任務(wù)，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。中航工業(yè)631所完成的C919大型客機(jī)低速大攻角深失速特性的精細(xì)數(shù)值模擬，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)規(guī)模由千萬(wàn)網(wǎng)格提升到兩億網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間縮短到10小時(shí)以內(nèi)，大大減少了風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)，降低了設(shè)計(jì)成本。

支持制造業(yè)轉(zhuǎn)型

江蘇省是中國(guó)制造大省，此次把“神威·太湖之光”落戶在江蘇省的無(wú)錫市，楊廣文說(shuō)，既是要解決國(guó)家的重大需求，也是要支持江蘇作為制造大省的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

江蘇的面積只占中國(guó)的1%，但卻貢獻(xiàn)了中國(guó)10%左右的GDP，其制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)全國(guó)都有著重要的參照意義。為此，在此次超算中心的投入中，江蘇省和無(wú)錫市各投入6億元人民幣建設(shè)資金，并委托清華大學(xué)負(fù)責(zé)后期運(yùn)營(yíng)。

“在中國(guó)制造2025計(jì)劃中，核心的問(wèn)題是提高設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)水平提高了，制造水平也會(huì)相應(yīng)提高。”楊廣文說(shuō)，江蘇省的核心產(chǎn)業(yè)是制造業(yè)，制造前的設(shè)計(jì)模擬離不開超級(jí)計(jì)算機(jī)，“我們?cè)噲D在這方面打造產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新基地”。

不過(guò)，楊廣文也坦言，“這個(gè)事情并不輕松”。“現(xiàn)在我們有很多企業(yè)也做設(shè)計(jì)，但很多是仿造性的或者手工設(shè)計(jì)，模擬設(shè)計(jì)軟件也以國(guó)外商用軟件為主。我們要做的是大量模擬設(shè)計(jì)，比如汽車制造，最主要的是安全，碰撞質(zhì)檢是破壞性的方式，我們可以通過(guò)超算做數(shù)值模擬，來(lái)完成安全設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。這樣的損失就會(huì)減少很多，同時(shí)也會(huì)大大縮短研發(fā)周期。”同樣的原理也可以用在飛機(jī)制造和性能跟蹤上，“通過(guò)超算去分析傳感器得到的數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能上的問(wèn)題和潛在威脅，大大降低事故概率”。楊廣文希望，要把超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力用好，建成一個(gè)設(shè)計(jì)、制造、數(shù)據(jù)分析等在內(nèi)的完整超算應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，“通過(guò)超算和大數(shù)據(jù)結(jié)合，把產(chǎn)品的整個(gè)生命周期管理起來(lái)”。

現(xiàn)在，楊廣文迫切要解決的，是為“神威·太湖之光”尋找需求較大的持續(xù)的行業(yè)用戶，支持重大的國(guó)家項(xiàng)目以及企業(yè)的核心裝備制造，從而帶動(dòng)研發(fā)出自主的核心并行軟件，把軟件再提供給制造業(yè)。

目前，中國(guó)有167臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)入選全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單，總數(shù)量首次超過(guò)美國(guó)。“我們超算的擁有量是排名第一了，但是從應(yīng)用水平來(lái)看，我們跟發(fā)達(dá)國(guó)家還是有差距的，這個(gè)差距要解決不是一天兩天的事情，要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攻關(guān)，也需要在有需求的企業(yè)中去普及。”楊廣文說(shuō)，按照國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，超算的應(yīng)用人員甚至占到2/3，但中國(guó)目前大部分都是學(xué)計(jì)算機(jī)的。作為全國(guó)6個(gè)超級(jí)計(jì)算中心之一，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心接下來(lái)希望跟應(yīng)用單位建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，解決應(yīng)用人才短缺的問(wèn)題，超算中心提供程序和模型支持等資源，擴(kuò)大超算的應(yīng)用范圍。

“中國(guó)在科研方面的投入，在某些方面甚至超過(guò)了美國(guó)，因此，現(xiàn)在很多在國(guó)外的研究人員愿意回來(lái)，因?yàn)橛泻芏嗨麄冊(cè)趪?guó)外沒法實(shí)現(xiàn)的課題，在國(guó)內(nèi)反而能找到資源實(shí)現(xiàn)。”付昊桓說(shuō)，國(guó)家希望科研在未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中提供更大的助力，這對(duì)科研本身就是很大的促進(jìn)。

“我們能建造那么好的高鐵，但流體的設(shè)計(jì)、模擬用的大部分軟件都是國(guó)外商用軟件。我想研發(fā)自主軟件這些事情總歸要有人去做。基于目前速度最快的一個(gè)超算，去做這樣的嘗試，不是很好的契機(jī)嗎？”付昊桓的反問(wèn)，說(shuō)出了很多中國(guó)科研工作者的心聲，這也是他們持續(xù)探索前行的動(dòng)力。