漫談科學家的“計算焦慮”

文/趙廣立

5月30日是第5個“全國科技工作者日”。在這個向科學家致敬的日子，錢學森、鄧稼先、吳文俊、黃旭華等許多老一輩科學家成為人們“追星”的對象。

人們總是要問：在那個一窮二白的年代，他們是怎樣做到的？

尤其是，那個沒有電子計算機的年代，他們是怎么運算、模擬、設計的？用算盤嗎？

還真是。

從算盤到超算

“中國核潛艇之父”、中國工程院院士黃旭華至今仍珍藏著的一把前進牌算盤。許多人可能想象不到，中國的第一代核潛艇是用算盤和計算尺一點點算出來的。

中國核潛艇的另外一位“拓荒牛”、近日被中宣部追授“時代楷模”稱號的彭士祿院士也曾回憶說：“那時沒有電腦，僅有一臺手搖計算機，大家就拉計算尺、打算盤，那么多的數據都是靠這些工具沒日沒夜地算出來的。”

那時的中國，一窮二白。盡管如此，僅靠算盤、計算尺，加上一臺手搖計算機，彭士祿、黃旭華和科研人員計算了十余萬組數據，成功確定了100多個參數。

那把算盤，曾陪伴黃旭華度過無數個日日夜夜。

一代核潛艇如此，“兩彈一星”研制早期也如此。在“兩彈一星”精神主題展上，就曾展出過一把“兩彈一星”元勛鄧稼先使用過的飛魚牌手搖計算機。

據說，當年蘇聯專家撤離時，給我國科學家們留下了一個原子彈研發的關鍵數據，但這個數據卻與我國科學家計算的結果不一致。鄧稼先和同事們就靠著這一臺臺手搖計算機，花了一年多的時間算出了正確的數據，最終成功研發出我國第一顆原子彈。

說起計算機，我國著名流體力學家、中科院院士童秉綱曾有一段難忘的回憶。

他記得，1972年他被派去沈陽一個航空工廠的設計科，從事空氣動力學方面的研究。當時，沈陽工廠引進了一臺計算機，但這臺計算機運行非常不穩定，經常一不小心就把幾個小時的運算數據都毀了。

童秉綱被安排在后半夜上機，出于對運算的擔心，他常常后半夜不能睡覺。長期超負荷工作損耗著他的身體，以至于走起路來頭重腳輕。

后來，隨著我國計算機事業的起步、發展和騰飛，科技工作者逐步用上了國產的計算機和超級計算機。從“功勛機”109丙機到100系列，從銀河-I巨型機到“曙光一號”，再從“曙光1000”到“神威·太湖之光”，我國逐漸治好了“計算機焦慮癥”。

“僧多粥少”的計算焦慮

但科技工作者們的“計算焦慮”還沒有治好。

就經濟危機而言，雖然蘇維埃政權取得了國內戰爭和抗擊外國武裝干涉的勝利，但是經過了4年世界大戰和3年國內戰爭的俄國，此時國民經濟已瀕臨破產。據統計，1920年大工業產值與戰前相比幾乎減少了6～7成，冶金業約為戰前產量的3%，煤比戰前減產2/3，石油幾乎減產3/5，紡織品產量減少19/20。1920年的農業產值只等于沙皇俄國時期的65%[3]356-357。糧食和其他最必需的食品嚴重短缺。這種情況導致人民生活異常艱難。更為不幸的是，1921年俄國發生嚴重旱災，它遍及了俄國主要的產糧區，饑民達到3 000萬到3 500萬[4]57。

很多人沒有接觸過超算，誤以為使用超算和個人電腦一樣，這顯然不對。

以最常見的材料計算為例，研究人員為了獲得某特性的合金材料（比如要滿足某航空器要求），首先需要對材料建模，然后將模型寫成代碼、程序發給超算。得到計算結果后，如果材料特性不合格，就要調整模型、改代碼重新計算，如此往復，直至得到滿足要求的材料模型。整個過程難免需要多次計算，而拿到成功模型卻在試制樣品時得不到合格材料也是常有的事兒，這樣一來，還要再去重復上述步驟。

雖然過程曲折艱辛，但如果沒有超算直接制樣試驗，找到合格配方的合金材料沒個幾十年是難以成功的——超算模擬計算已極大加速了這一過程。

材料計算還只是超算應用的一種，汽車工業、高端制造、生物信息、藥物研發、氣候模擬、海洋環境、能源勘探、航空航天……這些領域前進的每一步，都離不開超算。再加上近幾年大數據分析和機器學習等人工智能應用逐漸成為超級計算機的主要負載，“全球的算力需求每三個半月翻一倍”雖稍顯夸張，但也反映了問題。

需要科學計算的人數也在不斷增加。2019年7月，國家統計局發布的《新中國成立70周年經濟社會發展成就報告》顯示，2018年，我國按折合全時工作量計算的全國研發人員總量為419萬人年，是1991年的6.2倍。

為“兩彈一星”研制做出過卓越貢獻的飛魚牌手搖計算機（圖/中科院計算所）

在計算機仿真和大數據計算越來越取代實驗成為主流科學研究范式的今天，“僧多粥少”的超算必須以更高效的方式傳遞到用超算的人手中。

自建中小型超算用起來既方便也不方便：方便在沒人爭搶資源，不方便在凡事都要親力親為——從超算的開關機及日常維護這些繁瑣事項，到計算底層開發和優化這些需要高度專業的技術活兒，科學家們難以獨力支撐。

超算云時代的到來，順理成章。

進入超算云服務時代

“超算云”與“云計算”概念略有不同，它是超算擁有者或第三方組織者將超算資源以云服務的形式提供給用戶，解決的是用戶“無超算可用”“無好超算用”“因缺乏技術支持而超算難用”等問題。

并行科技是國內最早開展超算云服務的機構之一。基于國家網格與云計算技術，并行科技結合其高性能計算研發經驗，推出“并行超算云”。并行科技董事長陳健介紹，迄今他們已綜合300多個高性能計算集群，向20多個行業的5萬多用戶提供超算云服務。

企業研發也看到了超算云服務的優勢。國內風電龍頭金風科技在2017年成為并行科技的用戶，每年的高性能計算預算超過500萬元。在金風科技看來，相比自建超算，超算云服務意味著“多快好省”：資源充足且穩定，有充分的研發支持和及時高效的客戶服務，在保證業務持續性的同時，具有較高性價比，可大大降低公司資本開支。

以超算云服務提供計算資源的形式正在國內流行起來：一方面，國家超算廣州中心、中科院超算中心、國家超算長沙中心、國家超算無錫中心、北京超級云計算中心等眾多大型超算中心構成的海量資源池的超算“電力網”，正通過超算云將這個算力網接入千萬科研工作者的電腦；另一方面，一些云計算企業，如阿里云、華為云、浪潮云、騰訊云等也逐步開始推廣超算云的服務形態。

用好超算并不容易，背后需要大量的計算技術支撐——這也正是超算云服務商的生存空間，他們除了日常響應用戶在用超算過程中發生的意外情況，還要主動解決共性難題。例如，并行科技在處理某團隊超算應用軟件PyCDT安裝問題的同時，還把PyCDT軟件的安裝及優化部署到超算公共環境，以避免類似問題發生。

“這不是某一天要做的事情，而是每一天都要做的事情。”并行科技一位技術負責人說。

今天，科學計算“底座”引擎作用正愈發凸顯，所幸，科學家們的“計算焦慮”也正隨著超算云服務的流行逐漸成為歷史。