“中國(guó)巨型計(jì)算機(jī)之父”金怡濂：鑄“神威”揚(yáng)國(guó)威

宗和

“革命加拼命”研制巨型機(jī)

金怡濂與計(jì)算機(jī)結(jié)緣，是在新中國(guó)成立后的1956年。當(dāng)時(shí)，國(guó)家把計(jì)算機(jī)技術(shù)列為科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)學(xué)科之一。不久，20個(gè)年輕人被選派赴蘇聯(lián)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)研制，時(shí)年27歲、自清華大學(xué)電機(jī)系畢業(yè)后進(jìn)入研究所工作的金怡濂幸運(yùn)入選。

“當(dāng)時(shí)，電子計(jì)算機(jī)剛問(wèn)世10年。中國(guó)沒(méi)多少人知道什么是計(jì)算機(jī)，國(guó)家急缺人才，與其說(shuō)我選擇了計(jì)算機(jī)，不如說(shuō)計(jì)算機(jī)選擇了我。”金怡濂回憶道，他除了聽(tīng)說(shuō)過(guò)“計(jì)算機(jī)”這個(gè)名詞外，其他一無(wú)所知，更無(wú)從預(yù)料計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將給全世界帶來(lái)如此巨大而深刻的影響。但祖國(guó)的重托，足以激發(fā)他全部的熱情，夜以繼日地學(xué)習(xí)。

1958年7月，金怡濂從莫斯科回到北京，隨即就被派往中科院計(jì)算所，參與中國(guó)第一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)104機(jī)的研制。

金怡濂頗有感觸地說(shuō)：“計(jì)算機(jī)是個(gè)很特別的東西。算一個(gè)數(shù)，需要很多器件一起工作，若是在某個(gè)瞬間斷一下，計(jì)算結(jié)果就會(huì)出大錯(cuò)。所以，工藝質(zhì)量和設(shè)計(jì)質(zhì)量一樣至關(guān)重要。”

那段時(shí)間，除吃飯、睡覺(jué)和非參加不可的集體活動(dòng)，金怡濂和同事們幾乎所有的時(shí)間都泡在機(jī)房。除了研究設(shè)計(jì)，他們還花了大量時(shí)間，想了許多辦法，排查機(jī)器的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，以確保“一個(gè)焊點(diǎn)也不能出問(wèn)題”。經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試，1959年國(guó)慶節(jié)期間，104機(jī)正式宣布完成，《人民日?qǐng)?bào)》頭版頭條報(bào)道了這一喜訊。隨后，它圓滿完成了包括中國(guó)第一顆原子彈在內(nèi)的許多重大課題的相關(guān)科學(xué)運(yùn)算。

此時(shí)，金怡濂已離開(kāi)104機(jī)研究小組，又陸續(xù)投入四臺(tái)大型計(jì)算機(jī)的研制工作。金怡濂主攻的運(yùn)算控制，被稱為計(jì)算機(jī)的大腦和心臟。他提出了一系列可行性建議和改進(jìn)方案，攻克了“穿通進(jìn)位鏈加法器”等課題，逐步成長(zhǎng)為中國(guó)大型計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域的骨干力量，被破格提拔為研究室副主任。

1969年，金怡濂作為主要技術(shù)負(fù)責(zé)人和總體組組長(zhǎng)，主持國(guó)家重點(diǎn)工程九〇五乙機(jī)的研制。當(dāng)時(shí)，國(guó)家的電子工業(yè)基礎(chǔ)異常薄弱，金怡濂一方面與同事們下大力氣幫助合作的元器件生產(chǎn)廠家提高質(zhì)量，另一方面在國(guó)內(nèi)首次提出“雙機(jī)并行”的處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以雙機(jī)并行提高機(jī)器的速度和穩(wěn)定性，彌補(bǔ)元器件的可靠性不足。

雙機(jī)并行，這在當(dāng)時(shí)不少人看來(lái)是個(gè)極其大膽新穎的構(gòu)想。但金怡濂說(shuō)，這并非他異想天開(kāi)，而是源自多年來(lái)堅(jiān)持追蹤國(guó)際新技術(shù)的心得。即使在鼓吹“知識(shí)無(wú)用”的年代，即使身在大西南信息閉塞的山區(qū)，他仍然想方設(shè)法獲取最新的學(xué)術(shù)信息。每次到大城市開(kāi)會(huì)或辦事，他必定要去圖書(shū)館或資料室查閱學(xué)術(shù)資料。他說(shuō)：“搞科研的人，不跟蹤了解本專業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，無(wú)異于瞎子、聾子，長(zhǎng)此以往，思維會(huì)遲鈍，會(huì)失去想象力和創(chuàng)造力，失去創(chuàng)新的靈感和激情。”

由于地處偏僻，參考資料也極其匱乏。為查詢資料，金怡濂要跑上海、北京等地。為此，得先在崎嶇的山路坐大卡車顛簸半天，然后擠上火車，在硬座車廂里度過(guò)兩三個(gè)晝夜的旅途。查完資料，匆匆背上一大包同事們讓他捎帶的肥皂、牙膏、糖果回到大山里，繼續(xù)他的研制工作。由于國(guó)外對(duì)技術(shù)的封鎖，大型計(jì)算機(jī)全靠我國(guó)自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)，金怡濂主要負(fù)責(zé)硬件部分的設(shè)計(jì)把關(guān)，每一張圖紙都自行設(shè)計(jì)繪制，生產(chǎn)一臺(tái)機(jī)器需要繪制的圖紙不下數(shù)萬(wàn)張，摞起來(lái)像個(gè)小山。盡管如此，憑著“革命加拼命”的精神，1976年，九〇五乙機(jī)宣布研制完成，運(yùn)算速度達(dá)每秒350萬(wàn)次，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)并行機(jī)研制的先河。

“科研條件固然重要，但起決定性的因素還是人。”金怡濂總結(jié)說(shuō)。

花錢買不來(lái)高科技

1978年，中國(guó)迎來(lái)科學(xué)的春天。金怡濂代表九〇五乙機(jī)的全體參研人員、設(shè)計(jì)組和他個(gè)人，在第一次全國(guó)科學(xué)大會(huì)上捧回了三張獎(jiǎng)狀。兩個(gè)月后，他又被派往美國(guó)和日本考察大型計(jì)算機(jī)。這次行程雖然收獲不小，也讓他們清醒地認(rèn)識(shí)到了差距。

據(jù)金怡濂回憶，改革開(kāi)放之初，國(guó)家百?gòu)U待興，急需更高性能的巨型計(jì)算機(jī)，迫不得已花巨資從國(guó)外進(jìn)口了一臺(tái)。然而，購(gòu)機(jī)同時(shí)還須花錢“聘請(qǐng)”兩位“洋監(jiān)工”，由他們?cè)诳刂剖抑斜O(jiān)視機(jī)器的使用。雙方簽訂的協(xié)議上還明確規(guī)定：中方人員不得進(jìn)入控制室；開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)須由外方負(fù)責(zé)操作；中方不得將機(jī)器派作他用等等，這讓金怡濂大感屈辱，他由此深刻地認(rèn)識(shí)到，高科技是花錢買不到的，必須發(fā)展中國(guó)自己的巨型計(jì)算機(jī)，否則只能受制于人。

“核心技術(shù)是花錢買不來(lái)的。”感受到切膚之痛的金怡濂下定決心，一定要研制出屬于中國(guó)人自己的、不輸給任何人的高性能計(jì)算機(jī)。在中國(guó)科研人員廢寢忘食的努力下，上世紀(jì)80年代，“銀河”向量?jī)|次機(jī)和九〇五工程億次機(jī)兩臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)億次級(jí)的巨型計(jì)算機(jī)相繼成功研制。1991年，金怡濂所在的研究所又成功研制出速度達(dá)每秒10億次級(jí)的中國(guó)第一臺(tái)大規(guī)模并行處理計(jì)算機(jī)，逐漸縮小與美、日等國(guó)的差距。

那么，下一個(gè)目標(biāo)，定在100億，還是1000億？各方爭(zhēng)議不斷。金怡濂是少數(shù)贊成直接研制1000億次級(jí)巨型機(jī)的人之一。

他支持直接研制千億次級(jí)絕非一時(shí)沖動(dòng)，而是反復(fù)研究國(guó)外同行的成果近一年后得出的結(jié)論。“當(dāng)我說(shuō)出1000億時(shí)，心中至少已有了七八成的把握，剩下兩三成，也有一個(gè)初步判斷，預(yù)計(jì)那些問(wèn)題可以解決。”

“計(jì)算機(jī)發(fā)展太快，早一年是先進(jìn)的，晚一年就落后了。”他還有另一層考慮，直接挑戰(zhàn)千億次級(jí)，將是一次在該領(lǐng)域迎頭趕上美、日等國(guó)的機(jī)遇，機(jī)不可失。

最終，新一代巨型機(jī)——“神威”的目標(biāo)被確定為1000億次級(jí)。當(dāng)時(shí)已退居二線的金怡濂被邀請(qǐng)出山，擔(dān)任總設(shè)計(jì)師。他提出以平面格柵網(wǎng)為基礎(chǔ)的“分布共享存儲(chǔ)器大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)”總體方案，同時(shí)提出網(wǎng)上多種集合操作以及無(wú)匹配高速信號(hào)傳送等技術(shù)構(gòu)想和解決方案，均獲成功。這一成果實(shí)現(xiàn)了中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的歷史性跨越。

1996年9月，“神威”研制完成。經(jīng)測(cè)試，峰值運(yùn)算速度達(dá)到每秒3120億次，跨入國(guó)際領(lǐng)先行列。這意味著，僅用4年時(shí)間，中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的水平就提高了300多倍，遠(yuǎn)超“摩爾定律”每四年提升一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度。

國(guó)慶五十周年展“神威”

1999年秋，無(wú)論是國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人，抑或是普通老百姓，誰(shuí)不盼望新中國(guó)成立50周年大慶盛會(huì)這天的北京艷艷麗日、朗朗晴空？可是，“十一”前一天的下午，首都北京大雨傾盆，且一夜未停。億萬(wàn)人都在關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，甚至有許多人在心中祈禱：“老天爺呀，‘十一露個(gè)笑臉吧！”

天公意愿誰(shuí)先知？只有依靠“神威”。當(dāng)時(shí)，“神威”的判斷結(jié)論是：雨將在國(guó)慶早晨5時(shí)停，3個(gè)小時(shí)過(guò)后將云開(kāi)霧散。在天安門廣場(chǎng)盛況空前的國(guó)慶閱兵典禮現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)太陽(yáng)如期露出笑顏，受邀參加觀禮的“神威”總設(shè)計(jì)師金怡濂也笑了……

國(guó)家氣象中心利用“神威”計(jì)算機(jī)精確完成極為復(fù)雜的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，在國(guó)慶50周年和澳門回歸等重大活動(dòng)的氣象保障中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，金怡濂傾畢生精力為國(guó)家研制巨型計(jì)算機(jī)，并不僅僅是為了氣象預(yù)報(bào)。他介紹，超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是指當(dāng)時(shí)性能最高、運(yùn)算速度最快的一類計(jì)算機(jī)，是氣象氣候、石油物探、生命科學(xué)、航空航天、藥物篩選和基礎(chǔ)科學(xué)等領(lǐng)域不可缺少的高端計(jì)算工具，因此，中國(guó)未來(lái)的現(xiàn)代化建設(shè)不能沒(méi)有巨型機(jī)。

此后，金怡濂帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)再次向世界最先進(jìn)水平發(fā)起沖擊。這次，他們的目標(biāo)更加明確——要在出機(jī)時(shí)達(dá)到世界第一。2001年底，“神威Ⅱ”研制完成，速度達(dá)到每秒13.1萬(wàn)億次，其峰值速度和持續(xù)速度均超過(guò)了當(dāng)時(shí)排名第一的高性能計(jì)算機(jī)；機(jī)器體積大為縮小，功耗也較低。因?yàn)閷?duì)中國(guó)巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)，金怡濂榮獲2002年度國(guó)家最高科技獎(jiǎng)。

當(dāng)前，中國(guó)在高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先水平。2013年11月18日，國(guó)際TOP500組織公布最新全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜。中國(guó)的“天河二號(hào)”以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首。

金怡濂介紹說(shuō)，目前，完全采用國(guó)產(chǎn)自主CPU設(shè)計(jì)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威藍(lán)光”速度已達(dá)到千萬(wàn)億次級(jí)。但是，中國(guó)在基礎(chǔ)研究、前瞻性研究、核心元器件及應(yīng)用研究方面，與美、日等國(guó)相比，仍有相當(dāng)差距。未來(lái)，預(yù)計(jì)到2020年前后，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將突破每秒100億億次，全世界的同行都正在朝這個(gè)目標(biāo)努力。