神機妙算中國超級計算機技術舉世矚目

本刊編輯部

如果將計算機比喻成在近代科學史上冉冉升起的太陽，帶領人們看到希望，那么，超級計算機無疑是那最炫目的光芒。超級計算機一直以來都應用于工業、科研、國防中最尖端的一些領域，對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義，是—個國家科技發展水平和綜合國力的重要標志。

中國的計算機事業起步于20世紀50年代中期，與國外相比，晚了約10年。在計算機發展過程中，中國經歷了各種困難，走過了一段不平凡的歷程。如今，中國已經研制出世界上計算速度最快的高性能計算機，也成為國際上最大的微型計算機生產基地和主要市場。

中國計算機事業開始起步

與國外計算機發展歷程相同，中國計算機的發展也經歷了從早期的基于電子管、晶體管的第一代計算機，到基于中小規模集成電路的計算機，一直到基于超大規模集成電路的計算機的過程。

1952年全國大學院系調整時，華羅庚在中國科學院數學研究所內建立了中國第一個電子計算機科研小組，開始了對計算技術的探索。但是在中國計算機事業初始階段，中國主要是學習、模仿蘇聯的計算機技術。

在1956年制訂實施的《1956_1967年科學技術發展遠景規劃》中，開創中國的計算技術事業等項目被列為四大緊急措施。1956年6月，中國科學院計算技術研究所籌備委員會成立。籌備委員會確立了“先仿制，后自行設計”的原則，引進了蘇聯的M一3計算機和63CM-||計算機圖紙資料，通過對這2臺計算機進行仿制與改進，建立了中國自己的計算機科研隊伍、工業生產隊伍、應用隊伍和管理隊伍。1958年8月，中國第一臺小型電子管數字計算機（103計算機）研制成功。1959年9月，中國第一臺大型通用電子管數字計算機（104計算機）研制成功。這兩種電子管計算機的相繼推出，解決了經濟和國防等領域中大量的計算難題，填補了中國計算機技術的空白，成為中國計算機事業起步階段的重要里程碑。

在取得已有成果的基礎上，中國沒有停歇，而是開始研制第二代晶體管計算機。1964年11月，在當時國際環境非常困難的情況下，解放軍軍事工程學院（簡稱哈軍工，現為國防科技大學）研制成功了441-B計算機。該機是用國產半導體元器件研制成功的中國第一臺晶體管通用電子計算機，計算速度為8000次/秒，樣機連續工作268小時未發生任何故障。1965年6月，中國科學院計算所研制成功了109乙晶體管大型通用數字計算機，運算速度達到定點運算9萬次/秒、浮點運算6萬次/秒，所用器材全部為國產。2年后，中國科學院計算所又研制成功109丙晶體管大型通用數字計算機，這是一臺具有分時、中斷系統和管理程序的計算機。這臺計算機的使用時間長達15年，被譽為“功勛計算機”，它為中國航天事業的發展提供過大量的重要數據和決策依據。

早期計算機由于體積龐大，多在專業部門（如國防領域）使用。集成電路計算機是繼電子管計算機、晶體管計算機之后的第三代電子計算機，具有體積小、存儲容量大、計算速度快、性能穩定可靠以及耗電量少等優點。從第一代電子管計算機到第三代小規模集成電路計算機，計算機的尺寸在不斷縮小，穩定性在不斷提高，計算速度在不斷加快，價格也不斷降低，日益走進普通市場。1971年，中國科學院計算所研制成功中國第一臺小規模集成電路通用數字電子計算機111機。1976年11月，中國科學院計算所研制成功大型通用集成電路通用數字電子計算機013機。

從“銀河號”到“天河號”

經歷了20世紀50年代至70年代的發展，中國建立了從計算機設計到制造的較完整的工業體系，為中國計算機事業的后續發展奠定了堅實的基礎。到了20世紀80年代，隨著改革開放的深入，中國計算機事業進入了快速發展階段，計算機系統研制從跟蹤國外先進技術到實現技術超越。

1980年前后，中國高性能計算機研制工作開始起步，主要按照兩條路線走：超級計算機與服務器。1983年，中國科學院計算所完成大型向量機757機，計算速度達到1000萬次/秒。同年，國防科技大學研制成功“銀河-|”巨型計算機，運算速度達1億次/秒。“銀河-|”巨型機是中國自行研制的第一臺億次計算機系統，它的誕生使中國成為世界上為數不多能研制巨型機的國家之一。

1992年11月19日，“銀河-||”10億次巨型計算機在長沙通過國家鑒定，填補了我國面向大型科學工程計算和大規模數據處理的并行巨型計算機的空白。

1997年6月19日，“銀河-||”并行巨型計算機在北京通過國家鑒定。該機有多項技術處于全國領先地位，綜合技術達到當時國際先進水平。

“銀河”系列超級計算機廣泛應用于天氣預報、空氣動力實驗、工程物理、石油勘探、地震數據處理等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益。國家氣象中心將“銀河”超級計算機用于中期數值天氣預報系統，使我國成為世界上少數幾個能發布5-7天中期數值天氣預報的國家之一。

但是在20世紀，超級計算機的冠軍排名一直在美國和日本之間輪流轉，直到2010年11月，中國的“天河一號”榮登世界超級計算機500強榜單第一名，世界最強超級計算機的領域里終于有了中國的一席之地。

“天河一號”超級計算機是中國首臺千萬億次超級計算機，由國防科技大學于2010年8月研制成功。作為國家超級計算天津中心的業務主機，

“天河一號”在石油勘探、高端裝備研制、生物醫藥、動漫設計、新能源、新材料、工程設計與仿真分析、氣象預報、遙感數據處理、金融風險分析等領域獲得成功應用。

此后的數年里，“天河—號”和后續研制的“天河二號”屢次位居超級計算機排行榜首，中國的超級計算機技術發展水平取得了質的跨越。

“神威·太湖之光”橫空出世

自“863”計劃實施以來，國家高度重視并且支持超級計算系統的研發，但由于基礎薄弱、起步較晚，在國際上經常受制于人，美國更是在2015年宣布對中國禁售高性能處理器。但是，“神威·太湖之光”的橫空出世，成功地打破了美國的封鎖，證明中國人完全有能力用自己的處理器構建世界最高性能的超級計算機。

“神威·太湖之光”超級計算機是由國家并行計算機工程技術研究中心研制、安裝在國家超級計算無錫中心的超級計算機。該計算機由40個運算機柜和8個網絡機柜組成。每個運算機柜比家用的雙門冰箱略大，打開柜門，4塊由32塊運算插件組成的超節點分布其中，每個插件由4個運算節點板組成，每個運算節點板又含2塊中國自主研發的“申威26010”高性能處理器。“神威·太湖之光”超級計算機共安裝了40960塊“申威26010”處理器，該處理器采用64位自主申威指令系統，峰值性能為12.5億億次/秒，持續性能為9.3億億次，秒。

2016年6月20日，在法蘭克福世界超算大會上，國際TOP500組織發布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級計算機系統登頂榜單之首，不僅速度比第二名“天河二號”快出近2倍，其效率也提高3倍;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”以較大的運算速度優勢輕松蟬聯冠軍;11月18日，我國科研人員依托“神威·太湖之光”超級計算機的應用成果首次榮獲戈登·貝爾獎，實現了我國高性能計算應用成果在該獎項上零的突破。

2017年5月，科學技術部高技術中心在無錫組織了對“神威·太湖之光”計算機系統課題的現場驗收。專家組經過認真考察和審核，一致同意其通過技術驗收;11月13日，全球超級計算機500強榜單公布，“神威·太湖之光”以每秒9.3億億次的浮點運算速度第四次奪冠。

2018年11月12日，新一期全球超級計算機500強榜單在美國達拉斯發布，“神威·太湖之光”位列第三名。

“中國已在這場比賽中大幅領先。”美國勞倫斯伯克利國家實驗室副主任西蒙稱，超級計算機系統的每一個部件均在中國本土制造意義重大。該實驗室是超級計算機的主要用戶，協助編制全球超級計算機500強名單。“TOP500”網站也評論說，“神威·太湖之光”結束了中國只有依靠西方技術才能在超算領域拔得頭籌的時代。

“憑借一套搭載本土自主研發處理器芯片的世界一流超級計算機系統，中國鞏固了在這一計算機最高領域的領導地位。”《華爾街日報》曾在2016年刊發報道稱，“神威·太湖之光”是中國首臺未使用美國芯片技術且運行速度排名世界第一的計算機，“此前位列第一的‘天河二號使用了英特爾公司研發的芯片，去年美國出臺的一項出口禁令使該系統未能獲得升級所需芯片。”

正如《華爾街日報》所說，我國“863”計劃持續支持超級計算系統的研發，但在處理器設計制造方面，相當一段時間都不能擺脫受制于人的局面。美國的出口禁令短期內可能造成“天河二號”升級計劃拖延，但從長期來看，這反而是倒逼我國推進超算國產化戰略的重要機遇，“神威·太湖之光”就是一個很好的證明。

可以預期，也可以看到，中國的發展有無限種可能，中國人的創造精神和鉆研精神就像即將點燃的小宇宙一樣。中國在超級計算機領域的國際領先地位，是幾代中國人通過拼搏奮斗、艱苦創造得來的，我們將繼續保持這種優勢技術地位，開創一個更加光明燦爛的超算時代！

（責任編輯：張潔白玉磊責任校對：趙夢祺）