超算“神威”

超級計算機一向被稱為國之重器。超級計算屬于戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國競相角逐的科技制高點，也是一個國家科技實力的重要標志之一。2015年12月，中國研發(fā)出了當時世界上最快的超級計算機―“神威·太湖之光”，目前落戶在國家超級計算無錫中心。

國家超級計算無錫中心的段芳女士帶記者走進超級計算機大廳，1000多平方米的機房內(nèi)，一排排高大的黑色機倉整齊陳列著，頂上一圈隨時變換色彩的光帶，昭示著超級計算機無時無刻不在運行著。段芳女士介紹說，“神威·太湖之光”是世界首臺峰值運算速度超過10億億次/秒、并行規(guī)模超千萬核的劃時代的新型超級計算機。“神威·太湖之光”的計算能力相當于2000多萬臺普通的筆記本電腦，主存儲量相當于780個國家圖書館藏書量。這套系統(tǒng)1分鐘的計算能力，相當于全球72億人同時用計算器不間斷地計算32年。

自2016年6月至2018年6月，“神威·太湖之光”超級計算機一直名列世界第一。雖然目前它被美國“頂點”超級計算機和美國“山脊”超級計算機超越，位列第三，但中國超級計算機在世界超級計算機TOP500上榜總數(shù)位列世界第一。國家超級計算無錫中心研發(fā)工程師徐敬蘅告訴記者，世界超級計算機TOP500上榜數(shù)反映一個國家對超級計算機的重視程度。2017年，中國超級計算機上榜總數(shù)首次超過美國。在2018年11月最新的TOP500排名中，中國總數(shù)為229臺，是美國的兩倍多，美國總數(shù)為108臺。

我國超級計算機發(fā)展歷程

1983年12月，由國防科技大學研制的“銀河一號”超級計算機，峰值計算速度達到1億次/秒，標志著我國成為繼美國、日本等國之后，能夠獨立設計和制造巨型機的國家。

1993年10月，由國家智能計算機研究開發(fā)中心研制的“曙光一號”超級計算機，峰值計算速度達到6.4億次/秒，標志著我國已經(jīng)掌握了設計制造支持多線程機制的對稱式緊耦合并行機。

1998年8月，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威Ⅰ”超級計算機，安裝在中國國家氣象局，峰值計算速度達到3840億次/秒，是國內(nèi)首臺峰值性能突破千億次的計算機，主要技術(shù)指標和性能達到國家先進水平，繼美國、日本之后，我國成為具備自主研制千億次高性能計算機能力的國家。

2009年10月，由國防科技大學研制的“天河一號”超級計算機，峰值計算速度達到1206萬億次/秒，是我國首臺千萬億次超級計算機。

2011年10月，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威藍光”超級計算機，安裝在國家超級計算濟南中心，峰值計算速度達到1100萬億次/秒，是國內(nèi)首臺全部采用國產(chǎn)處理器和系統(tǒng)軟硬件構(gòu)建的千萬億次計算機系統(tǒng)。我國成為繼美國、日本之后，能夠采用自主CPU構(gòu)建千萬億次級超級計算機的國家。

2013年6月，由國防科技大學研制的“天河二號”超級計算機，峰值計算速度達到5.49億億次/秒，以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度，成為當時全球計算速度最快的超級計算機。

2015年12月，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威·太湖之光”超級計算機，峰值計算速度超過10億億次/秒，系統(tǒng)全面采用國產(chǎn)高性能處理器，處于世界領(lǐng)先水平。

首次完全使用“中國芯”

“神威·太湖之光”采用的中央處理器，是自主設計生產(chǎn)的國產(chǎn)芯片—“申威26010”眾核處理器。

時光回轉(zhuǎn)到2015年4月9日，美國商務部發(fā)布公告：禁止向中國4家國家超級計算中心出售高性能計算芯片。當時，中國的“天河二號”在世界超級計算機TOP500排行榜上已連續(xù)4次位列第一，它使用的就是美國英特爾公司生產(chǎn)的“至強”芯片。面對美國對中國的技術(shù)封鎖，中國科學家沒有停止對自主可控芯片的研發(fā)。早在2014年立項時，“神威·太湖之光”就確立了核心技術(shù)完全國產(chǎn)化的目標。當年底，基于國產(chǎn)“申威26010”處理器的“神威·太湖之光”完成原型機測試；美國禁售令公布半年之后，“神威·太湖之光”完成了研發(fā)工作。

“申威26010”是“神威·太湖之光”的心臟。這是一款具有獨特性的處理器，它采用了片上融合的異構(gòu)眾核體系結(jié)構(gòu)，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的指令集和完整的配套軟件生態(tài)系統(tǒng)。這種獨特的體系結(jié)構(gòu)在25平方厘米的方寸之間集成了260個運算核心、數(shù)十億個晶體管，達到了3萬億次/秒的計算能力。除了芯片，作為一個超算系統(tǒng)，“神威·太湖之光”在體系結(jié)構(gòu)、高速互聯(lián)、系統(tǒng)軟件等關(guān)鍵技術(shù)上都實現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新和突破，帶來了在性能上的跨越式發(fā)展。

屢獲獎項的“神威·太湖之光”

2016年6月20日，在法蘭克福世界超級計算機大會上，國際TOP500組織發(fā)布榜單，“神威·太湖之光”超級計算機系統(tǒng)登上榜單之首，成為世界上首臺峰值運算速度超過10億億次/秒的超級計算機。

2016年11月14日，在美國鹽湖城公布的新一期TOP500榜單中，“神威·太湖之光”蟬聯(lián)冠軍。

2016年11月18日，我國科研人員依托“神威·太湖之光”應用成果首次榮獲“戈登·貝爾”獎，實現(xiàn)了我國高性能計算應用成果在該獎項上零的突破。

2017年6月19日，“神威·太湖之光”又奪得全球超級計算機TOP500的冠軍。在它身上，擁有運算著全球最大的虛擬宇宙，用10萬億個數(shù)字粒子模擬出宇宙的形成和早期的擴張。

2017年11月17日，基于我國超級計算機“神威·太湖之光”的非線性大地震模擬應用，再次榮獲“戈登·貝爾”獎。

2017年11月13日，全球超級計算機TOP500榜單公布，“神威·太湖之光”以9.3億億次/秒的浮點運算速度第4次奪冠。與“天河二號”之前的登榜紀錄疊加，中國超級計算機已經(jīng)連續(xù)第十次蟬聯(lián)世界超級計算機榜單冠軍。

“神威·太湖之光”服務于多個領(lǐng)域

按照目前的統(tǒng)計，“神威·太湖之光”兩年來的利用率已經(jīng)超過70%，累計擁有幾百項應用課題，目前有一些重大項目正在“神威·太湖之光”上進行全機調(diào)試，比如2016年“神威·太湖之光”的獲獎應用—“全球大氣非靜力云分辨模擬”。徐敬蘅介紹說，超級計算機在科學與工程領(lǐng)域應用最早、最廣泛，應用效果也最顯著。“神威·太湖之光”對我國科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的作用。“神威·太湖之光”系統(tǒng)自投入使用以來，已為上百家用戶、數(shù)百項大型復雜應用課題的計算提供了服務，涉及氣候、航空航天、海洋環(huán)境、生物醫(yī)藥、船舶工程等20多個領(lǐng)域。例如，運用“神威·太湖之光”進行超大規(guī)模電磁仿真計算。該課題研究以“神威·太湖之光”超級計算機等高性能計算平臺為基礎(chǔ)，計算各類目標的電磁散射和輻射特性。所開發(fā)的超大規(guī)模高階矩量法達到國際領(lǐng)先水平，已部署于國家超級計算無錫中心等平臺，服務于中國航天、中電集團等20多個機構(gòu)，應用于預警機等重大工程。時域有限差分法、物理光學法目前在“神威·太湖之光”上分別達到了468萬和130萬計算核心的規(guī)模。再比如，運用“神威·太湖之光”進行精細風資源預測CFD模擬。風能是清潔能源的重要組成部分，而精細風資源預測，對于風機選址及發(fā)電量預測具有十分重要的作用。精準的發(fā)電預測，可以降低風電的不確定性帶來的高棄風率，提高風電利用率和發(fā)電成本。該課題通過對“遠景能源”CFD程序進行全面、多層次優(yōu)化加速，使CFD業(yè)務運行速度在“神威·太湖之光”超級計算機上整體提升了3.5倍，每年可以結(jié)余數(shù)百萬機時費。

中國超級計算機的未來—E級計算機

E級計算機是指可進行百億億次每秒數(shù)學運算的超級計算機，被全世界公認為“超級計算機界的下一頂皇冠”，它將在解決人類共同面臨的能源危機、污染和氣候變化等重大問題上發(fā)揮巨大作用。中國的E級計算機的原型機已經(jīng)完成了設計研發(fā)，并且已經(jīng)順利地通過了國家級驗收，也就是說我國已經(jīng)成為世界上首個實現(xiàn)E級計算機技術(shù)研發(fā)的國家。隨后，我國將開始全面進入E級計算機的工程化制造階段。

從2013年開始，中國就一直是世界超級計算機排名的第一名。直到2018年6月8日，美國成功研發(fā)出了“頂點”超級計算機，并且在2018年6月的評比中重新拿到了世界第一。目前，美國的“頂點”超級計算機的浮點運算速度為14.35億億次/秒。徐敬蘅透露，我國計劃在2020～2021年正式推出E級計算機。也就是說，兩年以后中國可能會重摘超級計算機世界第一的桂冠。