自主創新鑄就超算“國之利器”
—— 新中國70年超算領域的“超常發展”

◎ 本刊記者 翟萬江

新中國成立70 年以來，中國的計算機研發與制造不僅實現了從無到有，還達成了躋身世界前列的成就。作為全球最大的計算機制造基地，中國計算機產業規模如今已位居世界首位。2019 世界計算機大會發布的數據顯示，2018 年，中國計算機行業實現主營業務收入1.95 萬億元人民幣，同比增長8.7%；微型計算機產量3.1 億臺，服務器年產量達到了295.2 萬臺。

超級計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲容量最大的一類計算機，多用于國家高科技領域和尖端技術研究，是支撐綜合國力提升的國之重器，是衡量國家科技發展水平的重要指標之一，體現著一個國家在全球信息技術競爭中的強國地位。70 年來，我國超算經歷了從無到有、從跟跑到局部領先、從關鍵核心技術引進到實現自主可控的艱難發展歷程。

新中國成立以來，我國超算研制、創新、應用的“超常發展”成果。自1978 年我國啟動首臺巨型機“銀河-Ⅰ”研制以來，目前已在天津、深圳、濟南、長沙、廣州和無錫建成6 個國家級超算中心。從銀河”“天河”到“神威·太湖之光”，我國大型超算13 次拿下世界第一 。

突破封鎖，讓大型科學計算不再受制于人

超級計算機是國際高端信息技術創新和競爭的制高點，對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。20 世紀70 年代，首臺超級計算機問世后，國際上對超級計算機需求猛增。發達國家在重點產業領域，已利用超級計算機取得多方面突破。

當時，美國、日本等在關鍵核心技術上，就對中國全面封鎖。那時，我國由于沒有高性能的計算機，勘探的石油礦藏數據和資料不得不用飛機送到國外去處理，不僅費用昂貴，而且受制于人。

“超算由大量的計算節點組成，每個計算節點由一些CPU 組成，計算節點由高速互聯網絡連接起來，另外，還有大規模存儲系統、系統軟件、應用軟件和冷卻系統等。我國要想在短時期發展超算，在超算核心技術上有重大突破，跑在世界前列，不是一件輕易能夠實現的事。”江蘇理工學院計算機工程學院郁錢博士說。

我國政府高度重視發展超算，于1978 年正式啟動巨型計算機研制工程。然而，由于當時技術基礎、生產工藝等都與先進國家存在巨大差距，要一下子把計算速度提升到每秒一億次，面對著一個一個難題。

5 年里，承擔此項艱巨任務的研發團隊，解決了無數個基礎理論、技術和工藝難關，攻克了數以百計的關鍵技術難題，創造性地提出了“雙向量陣列”結構，并完成整體設計，比原計劃提前一年研制成功“銀河-Ⅰ”巨型計算機，系統達到并超過了預定的性能指標，機器整體穩定可靠。這標志著中國成為世界上少數幾個能夠獨立設計和研制億次巨型機的國家。

后來居上，中國超算快速走向自主可控

“我國的超算是從一窮二白做起的。在2002 年之前，TOP500 上就沒有中國的超算，或者說中國超算本身就很少。從2002 年之后，經過15 年的高速發展，無論是中國超算的上榜數量還是性能，都呈指數級增長。特別是‘神威·太湖之光’實現了真正的安全自主可控。” 國家超級計算無錫中心主任楊廣文說。

面對各國在超級計算機上展開的激烈角逐，我國自“十二五”開始，基于自主可控超算系統的軟件與應用考慮，重新布局超級計算機的研制工作。其中，“神威·太湖之光”就是863 計劃的一項重大科研成果。

“神威·太湖之光”是由國家并行計算機工程技術研究中心研制，運算系統全面采用了由國家高性能集成電路設計中心通過自主核心技術研制的國產“申威26010”眾核處理器，實現了對該領域產品的國產化替代 。

“‘神威·太湖之光’也是我國第一臺全部采用國產處理器構建的世界排名第一的超級計算機。到目前，以每秒9.3 億億次的浮點運算速度，連續四次在全球超級計算機中奪冠。”國家超級計算無錫中心主任助理、研發部部長甘霖說。

E 級計算被公認為“超級計算機界的下一頂皇冠”，是國際上高端信息技術創新和競爭的制高點。為此，我國面對未來新的挑戰與考驗，超前布局了下一代超算，在“十三五”國家重點研發專項中，重點支持三個不同技術路線的E 級原型系統。

目前，我國E 級超算系統研發正在穩步推進之中，將全面打造國產超算生態環境，實現中國超算可持續創新發展。

加速應用，發揮“國家重器”特殊作用

超級計算機被稱為“國家重器”，屬于國家戰略高技術領域。發展超算，關鍵要能夠服務于國家特殊需要，服務于高新技術產業發展。

“神威·太湖之光”是安裝在國家超級計算無錫中心的超級計算機，在多個國家重大科研項目上得到應用，涉及天氣氣候、航空航天、船舶工程、海洋環境、石油勘探、生物信息、藥物設計、電磁仿真、量子模擬、先進制造、新材料、新能源等20 多個應用領域，并支持了包括科學與工程計算、大數據、人工智能領域的10多個國家重大專項和重點研發項目，200 余項應用課題達到百萬核心計算規模。

特別是其中22 個大型應用能夠高效運行整機計算資源，并行規模達到千萬核心，并取得了一批高水平的應用成果。在6 個入圍國際高性能計算應用領域最高獎——“戈登·貝爾”獎的重大應用中，“千萬核可擴展非靜力大氣動力學全隱式模擬”和“非線性大地震模擬”2 個應用，分別獲得2016、2017 年度“戈登·貝爾”獎項。

在業內人士看來，銀河、曙光、天河、神威等我國系列超級計算機，已經融入國家發展的方方面面。下一步，隨著我國新一代百億億次超級計算機系統的研制工作順利推進，未來將繼續推動國家的科技創新、戰略性新興產業快速發展，推動大數據、人工智能、物聯網快速發展，共同為解決人類發展面臨的重大挑戰發揮重要作用。