天河一號(hào)：從世界冠軍到勞動(dòng)模范

很難說(shuō)世界上還有比這更快的。在眨眼的一秒鐘，它已經(jīng)完成數(shù)千萬(wàn)億次計(jì)算。這是超級(jí)計(jì)算機(jī)的世界，速度永遠(yuǎn)在刷新。

如果說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)是“計(jì)算機(jī)界的珠穆朗瑪”，那么，位于國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)天津中心的“天河一號(hào)”，是中國(guó)人在世界之巔插上的第一面紅旗。

2010年，“天河一號(hào)”以持續(xù)速度每秒2570萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算、峰值速度4700萬(wàn)億次的速度雄冠全球，并以這樣的速度，持續(xù)運(yùn)行到今天。

今天，它的速度雖被后來(lái)者不斷超越，而這位昔日的冠軍卻“越來(lái)越忙”了。它每天要接1400多個(gè)任務(wù)，滿負(fù)荷運(yùn)行；它“跑”的路也越來(lái)越寬了，天上飛的、地上跑的、地下藏的，全都“裝”在它心里，算得一清二楚。

曾是世界冠軍 更是一個(gè)開拓者

為了向更多人解釋“天河一號(hào)”速度，技術(shù)人員用了一個(gè)通俗易懂的比喻：它運(yùn)行1小時(shí)，相當(dāng)于13億人同時(shí)計(jì)算340年。

2010年“天河一號(hào)”面世時(shí)，人們對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)還不了解，質(zhì)疑聲也隨之傳來(lái)：花這么多錢，造這么快的超級(jí)計(jì)算機(jī)究竟有什么用？是不是閑置在一邊，是不是資源浪費(fèi)？甚至還有網(wǎng)友調(diào)侃說(shuō)，能不能讓我用來(lái)打游戲？

“從‘天河一號(hào)’開始，中國(guó)超算不再受制于人。”國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心主任劉光明清楚第一速度背后的深刻意義，這代表著一個(gè)國(guó)家的整體國(guó)力。

此前，中國(guó)沒有屬于自己的千萬(wàn)億級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，缺乏強(qiáng)大的超算能力意味著，在氣候、氣象、海洋與能源等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大基礎(chǔ)領(lǐng)域，都將難以開展長(zhǎng)效的預(yù)測(cè)、勘探等工作。

速度的提升帶來(lái)的一個(gè)最直觀變化，是外國(guó)同行的態(tài)度。此前，歐美等國(guó)對(duì)中國(guó)使用他們的超級(jí)計(jì)算機(jī)開出高昂的價(jià)格，不僅如此，為了封鎖技術(shù)，他們還要求讓計(jì)算機(jī)“住進(jìn)單間”，中國(guó)人不得靠近。

而當(dāng)“天河一號(hào)”在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500榜單登頂后，不少外國(guó)同行主動(dòng)來(lái)到中國(guó)，請(qǐng)教“天河一號(hào)”首創(chuàng)的讓CPU和GPU（圖形處理器）高效協(xié)同的計(jì)算模式。

象征著最尖端計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也被一些人比作是“高智商的玩具”，研發(fā)和操作它的科學(xué)家們，也在摸索如何“玩”出名堂，讓它的強(qiáng)大腦力造福于人。

“在最初投入使用的一年多時(shí)間，我們也在逐漸摸索服務(wù)對(duì)象的種類和所能提供的服務(wù)。”國(guó)家超算天津中心應(yīng)用研發(fā)部部長(zhǎng)孟祥飛說(shuō)，如何把強(qiáng)大的計(jì)算能力用在各個(gè)領(lǐng)域，需要一點(diǎn)點(diǎn)突破。

霧霾實(shí)時(shí)預(yù)警 優(yōu)化治理方案

在你看得見或看不見的各個(gè)領(lǐng)域，超級(jí)計(jì)算機(jī)在改變你的生活。

有時(shí)，它可以變成宇宙飛船的模樣，模擬大型航天器在虛擬的外太空飛行的全部數(shù)據(jù)；有時(shí)，它會(huì)鉆到地下數(shù)公里，算出石油和天然氣到底藏身何處。當(dāng)前的“全民公敵”——霧霾，也是它瞄準(zhǔn)的方向。

精確預(yù)測(cè)霧霾其實(shí)并不容易。中國(guó)各個(gè)城市PM2.5到底都是從哪兒來(lái)的，有工業(yè)煙塵排放、汽車尾氣、建筑工地和道路揚(yáng)塵、生活取暖排放以及農(nóng)村的秸稈燃燒等，但至今沒有一份完整的清單。即使在同一個(gè)城市中，不同區(qū)域的霧霾濃度也有很大差別。

專家將霧霾預(yù)報(bào)形容成“天氣預(yù)報(bào)+化學(xué)”，因?yàn)镻M2.5其實(shí)包含著許多種不同的化合物，它們的大小也不盡相同。“溫、濕、風(fēng)、壓”是天氣預(yù)報(bào)主要關(guān)注的4個(gè)指標(biāo)，而霧霾則涉及70個(gè)左右，每一個(gè)數(shù)值都不是固定不變的，任何一個(gè)指標(biāo)的變化都會(huì)帶來(lái)完全不同的結(jié)果，因此預(yù)報(bào)霧霾的計(jì)算量是預(yù)報(bào)天氣的好幾倍。

以計(jì)算機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)霧霾形成到底有多少具體的影響為例，專家們需要構(gòu)建一套道路交通尾氣排放的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)中，地圖上標(biāo)注出了城市中每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的位置，通過路面攝像頭的監(jiān)控，在汽車行駛的同時(shí)就把車的大小、型號(hào)統(tǒng)計(jì)起來(lái)，然后自動(dòng)計(jì)算出它的排量。再加上環(huán)境中污染濃度和氣象水平等數(shù)據(jù)，最終得出機(jī)動(dòng)車實(shí)時(shí)排放的尾氣污染物情況。這套系統(tǒng)每5分鐘進(jìn)行一次刷新，將搜集到的數(shù)據(jù)傳送到“天河一號(hào)”上，提供給綜合數(shù)據(jù)模型，最終算出汽車尾氣排放對(duì)霧霾形成的具體影響。

就這樣，“天河一號(hào)”可以把每一種污染源，都精確到“點(diǎn)”來(lái)計(jì)算，結(jié)合大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得出不同的污染源在霧霾形成過程中，扮演何種角色，從而大大提升霧霾預(yù)警的精度；而完成一次預(yù)報(bào)用時(shí)只需2～3小時(shí)。

“天河一號(hào)”掌握了大氣化學(xué)反應(yīng)、污染源監(jiān)控等大數(shù)據(jù)信息后，通過建立計(jì)算模型進(jìn)行模擬，已經(jīng)形成了一個(gè)實(shí)時(shí)、高精度、大范圍的霧霾監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。更重要的是，依據(jù)這些精準(zhǔn)信息，可以有望找到一個(gè)對(duì)霧霾治理更優(yōu)化的解決方案。

超算背后的年輕人平均年齡28歲

從任何一個(gè)角度來(lái)看，“天河一號(hào)”都是個(gè)不折不扣的“勞模”。它全年365天無(wú)休，7×24小時(shí)持續(xù)運(yùn)行，能夠始終保持穩(wěn)定高效的運(yùn)算；它每天提供1400多個(gè)在線服務(wù)，服務(wù)的用戶數(shù)已近1300家，主要用戶遍布全國(guó)30個(gè)省、自治區(qū)和直轄市。

支撐“天河一號(hào)”巨大的服務(wù)承載力的，是國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心的60多名研發(fā)技術(shù)人員，他們是一群平均年齡28歲的年輕人。

馮景華算是其中的“老人”了。2010年從西安交通大學(xué)碩士畢業(yè)后，跟著導(dǎo)師研究過并行計(jì)算的馮景華加入了天河團(tuán)隊(duì)，如今擔(dān)任國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心系統(tǒng)管理部部長(zhǎng)。

“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)高校很少有培養(yǎng)這個(gè)方向的人才，起初我們只有20多個(gè)人。”馮景華回憶，從“天河一號(hào)”的安裝和調(diào)試，并測(cè)試出高效計(jì)算速度，奪得當(dāng)年世界冠軍，年輕人放棄了節(jié)假日，每天工作十幾個(gè)小時(shí)，最忙的時(shí)候一周睡眠時(shí)間只有20個(gè)小時(shí)。最終只用了短短3個(gè)多月時(shí)間，完成了國(guó)外同行需要一年時(shí)間才能完成的任務(wù)。也正因?yàn)槿绱耍麄儽环Q為“鐵桿子天河”。

“用戶的需求，我們隨時(shí)能夠響應(yīng)，即使是凌晨?jī)扇c(diǎn)。”馮景華說(shuō)，“天河一號(hào)”的團(tuán)隊(duì)服務(wù)能力很強(qiáng)，大大提高了用戶體驗(yàn)的滿意度。

如今，“天河一號(hào)”已經(jīng)是石油企業(yè)尋找油氣資源不可或缺的“先鋒”，也成為國(guó)內(nèi)石油勘探地震數(shù)據(jù)處理能力最強(qiáng)、處理速度最快的平臺(tái)。

幾年前，“天河一號(hào)”的技術(shù)專家與某研究院歷時(shí)數(shù)月研究開發(fā)，最終共同研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的的石油地震勘探數(shù)據(jù)處理的核心軟件和處理平臺(tái)。“原本需要1個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能完成的任務(wù)，現(xiàn)在可能只需要幾個(gè)小時(shí)。”這樣一來(lái)，使得我國(guó)石油公司在國(guó)際勘探競(jìng)標(biāo)上能夠獲得較大優(yōu)勢(shì)。

不僅如此，“天河一號(hào)”還參與了許多國(guó)家科技創(chuàng)新的重大項(xiàng)目。在腦科學(xué)和基因測(cè)序方面，它提速國(guó)內(nèi)全腦三維成像150倍以上，將原本需要5～6天的鼠類全腦成像，縮短到1～2個(gè)小時(shí)；與天津大學(xué)和華大基因等科研機(jī)構(gòu)開展基因測(cè)序等合作，試圖破解人類基因密碼；此外還與中科院上海藥物研究所合作，從20多萬(wàn)個(gè)代表化合物中篩選出抗癲癇先導(dǎo)藥物。每一個(gè)項(xiàng)目推進(jìn)的背后，“天河一號(hào)”都不僅僅是一個(gè)計(jì)算工具，為了讓計(jì)算跑得更快、更精準(zhǔn)、更有效，它都會(huì)深度參與研發(fā)，不斷尋求更完美的解決方案。

如今，“天河一號(hào)”已經(jīng)7歲了，因?yàn)閼?yīng)用廣泛，早已實(shí)現(xiàn)自負(fù)盈虧。而它每天滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用“排隊(duì)”的情況，有更新?lián)Q代的需求。

目前，由國(guó)家超算天津中心同國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合開展的“天河三號(hào)”樣機(jī)研制工作已經(jīng)啟動(dòng)。原型樣機(jī)的研制將為進(jìn)一步研發(fā)自主芯片、自主操作系統(tǒng)、自主運(yùn)行計(jì)算環(huán)境的全自主的新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)打下基礎(chǔ)。而百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)提升的不僅僅是計(jì)算能力，更重要的是在計(jì)算密度、單塊計(jì)算芯片計(jì)算能力、內(nèi)部數(shù)據(jù)通信速率等技術(shù)上，全面得到極大提升。胡春艷