天河三號(hào)超算系統(tǒng)

技術(shù)人員在運(yùn)用超算解決地質(zhì)難題

天津超算中心劉光明領(lǐng)取“世界第一”獲獎(jiǎng)證書(shū)

國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心

　 ?日前，由國(guó)防科技大學(xué)和天津海河傳媒中心聯(lián)合制作的三集紀(jì)錄片《逐夢(mèng)天河》正式播出。紀(jì)錄片講述了中國(guó)超算從萌芽、起步到登頂世界第一的發(fā)展歷程，通過(guò)一代代以祖國(guó)需要為己任的計(jì)算機(jī)科技攻關(guān)隊(duì)伍接續(xù)奮斗的故事，詮釋了科學(xué)家精神的深刻內(nèi)涵……

“每秒一億次，一次不少！六年研制時(shí)間，一天不拖！預(yù)算經(jīng)費(fèi)，一分不超！”

1994年二三季度，是中國(guó)東南沿海一年當(dāng)中最厲害的臺(tái)風(fēng)季。9月，在南太平洋形成的第17號(hào)臺(tái)風(fēng)，在浙江一帶登陸，正是因?yàn)椤般y河－Ⅱ”巨型計(jì)算機(jī)提前的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確判定了臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和具體登陸地點(diǎn)，相關(guān)部門將臺(tái)風(fēng)造成的損失降到了最低。

此時(shí)，距離“銀河”巨型機(jī)問(wèn)世整整過(guò)去了11年。

……

慈云桂教授，中國(guó)首臺(tái)巨型機(jī)“銀河－Ⅰ”的總設(shè)計(jì)師。21歲時(shí)他在逃避戰(zhàn)亂途中考取西南聯(lián)合大學(xué)航空系，但卻因病無(wú)法前往昆明報(bào)到，只好就近借讀于湖南大學(xué)機(jī)械系，此后，因成績(jī)優(yōu)異被保送到清華大學(xué)。新中國(guó)成立后，慈云桂調(diào)入哈軍工海軍工程系任副主任、雷達(dá)教研室主任。半個(gè)世紀(jì)前，憑著一本只有數(shù)十頁(yè)紙的計(jì)算機(jī)科普書(shū)，他帶領(lǐng)9名學(xué)員邁出了中國(guó)自主設(shè)計(jì)研制電子計(jì)算機(jī)的第一步。

慈云桂將團(tuán)隊(duì)分成兩組，一組由他率領(lǐng)南下北京，赴中科院計(jì)算機(jī)研究所學(xué)習(xí)研制磁芯存儲(chǔ)器，解決元器件困難；另一組攻克基本電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及運(yùn)算器、控制器邏輯設(shè)計(jì)等一系列難關(guān)。

兩年后，我國(guó)第一臺(tái)自主設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)107機(jī)研制成功。

1964年11月，我國(guó)第一臺(tái)晶體管通用數(shù)字計(jì)算機(jī)441B宣告誕生。

此后10年，隨著集成電路技術(shù)的應(yīng)用，世界算力再次迎來(lái)新的突破。但幾乎就在中國(guó)百萬(wàn)次計(jì)算機(jī)誕生的同時(shí)，美國(guó)科學(xué)家運(yùn)用向量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)批量化處理，算力直指億次大關(guān)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)前沿領(lǐng)域跨入高速度、大容量的巨型機(jī)時(shí)代。

時(shí)鐘的指針來(lái)到1978年，中國(guó)迎來(lái)了科學(xué)的春天。改革開(kāi)放總設(shè)計(jì)師鄧小平指出：“中國(guó)要搞四個(gè)現(xiàn)代化，沒(méi)有巨型機(jī)不行！”當(dāng)年陽(yáng)春三月，中央召集巨型機(jī)研制部署會(huì)，研制任務(wù)又一次落在了慈云桂的肩上。

年逾花甲的慈云桂，受領(lǐng)任務(wù)后，立下軍令狀，“每秒一億次，一次不少！六年研制時(shí)間，一天不拖！預(yù)算經(jīng)費(fèi)，一分不超！”

那時(shí)，中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，電子元器件性能和工藝水平落后，慈云桂的研究人手不足一百,?連間像樣的實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有，設(shè)備嚴(yán)重老化，加之國(guó)外對(duì)技術(shù)的封鎖，這時(shí)候啟動(dòng)每秒億次巨型機(jī)工程，無(wú)異于霸王硬上弓。

元器件落后，還要保證巨型機(jī)的算力，這使設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。巨型機(jī)由7個(gè)楔形機(jī)柜組成，每個(gè)機(jī)柜可安7塊底板，每塊底板可插入14塊插件，需要通過(guò)四萬(wàn)多根直徑0.5毫米的細(xì)線有序連接起來(lái)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)繞虛焊，整個(gè)電路板都將報(bào)廢。

“在繞接的時(shí)候，兩個(gè)人在上面繞，一個(gè)人在不停地報(bào)圖紙的位置，并且要兩遍三遍地核實(shí)。”國(guó)防科大原繞接組員工楊萍回憶。

這是一次以勤補(bǔ)拙的艱難探索。5年時(shí)間，慈云桂和全體研發(fā)人員放棄了節(jié)假日，吃在工廠、睡在機(jī)房。當(dāng)時(shí)加班費(fèi)一晚上兩毛錢，卻沒(méi)有人來(lái)領(lǐng)。為的是省下每一分錢，用在零件、設(shè)備的生產(chǎn)上，盡快造出中國(guó)的巨型機(jī)。

最終，全機(jī)4萬(wàn)多條繞接線、12萬(wàn)個(gè)繞接點(diǎn)、861塊插件板、200多萬(wàn)個(gè)手工焊點(diǎn)，無(wú)一錯(cuò)繞、無(wú)一虛焊。

“銀河－Ⅰ”巨型機(jī)整機(jī)連續(xù)運(yùn)行12天、主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)289小時(shí)，毫無(wú)故障！1983年12月22日，新華社、人民日?qǐng)?bào)、解放軍報(bào)等近二十家中央媒體同時(shí)向世界宣布：中國(guó)第一臺(tái)每秒運(yùn)算一億次以上的“銀河”巨型機(jī)研制成功！這標(biāo)志著中國(guó)躋身世界少數(shù)幾個(gè)能研制巨型機(jī)的國(guó)家行列。

“一個(gè)國(guó)家、一個(gè)團(tuán)隊(duì)持續(xù)30年做一件事，拿個(gè)世界第一還有問(wèn)題嗎？”

關(guān)鍵核心技術(shù)，要不來(lái)、買不來(lái)、討不來(lái)，這是中國(guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)從無(wú)到有，艱苦奮斗幾十年來(lái)，最深切的感受。

1986年3月，一項(xiàng)著眼世界戰(zhàn)略性高科技發(fā)展的計(jì)劃，被提上黨中央議事日程。這項(xiàng)重大決策被命名為“863計(jì)劃”。

在“863計(jì)劃”助推下，“曙光一號(hào)”“銀河－Ⅲ”“神威Ⅰ”等高性能計(jì)算機(jī)在中國(guó)南北相繼誕生，逐漸形成了“曙光”“銀河”“神威”三大系列，一如三支國(guó)家隊(duì)，你追我趕，算力迅速攻破百萬(wàn)億次。

自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展依靠大規(guī)模并行計(jì)算，就是把幾十、幾百、上千個(gè)CPU中央處理器聯(lián)結(jié)在一起。然而，當(dāng)CPU數(shù)量增加到一定程度時(shí)，并不能帶來(lái)運(yùn)算速度的提高，卻遇到了一系列瓶頸無(wú)法解決。

世界亟待一次突破。而這一次，靈感來(lái)自于中國(guó)。

2008年8月8日，奧運(yùn)之火點(diǎn)亮中國(guó)，在舉國(guó)歡慶的夜晚，國(guó)防科技大學(xué)的“銀河樓”里燈火通明。國(guó)防科技大學(xué)和天津正式啟動(dòng)“國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心”建設(shè)，聯(lián)合承擔(dān)“千萬(wàn)億次高效能計(jì)算系統(tǒng)”的研制。在這里，一個(gè)全新的方案正在醞釀。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年的封閉攻關(guān)，軟件程序歷經(jīng)8萬(wàn)多次改進(jìn)優(yōu)化，最終，科研人員采用混合語(yǔ)言編程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算核心異構(gòu)協(xié)同，一舉將GPU的計(jì)算效率提高到70%以上，達(dá)到世界最高水平。

2009年金秋十月，新中國(guó)六十華誕，我國(guó)首臺(tái)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)宣告誕生，命名為“天河”。

從此，目光聚焦到渤海之濱──天津?yàn)I海新區(qū)。2010年夏天，“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)在這里進(jìn)場(chǎng)安裝。

“天河一號(hào)”副總設(shè)計(jì)師、國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心首任主任劉光明回憶：“當(dāng)時(shí)是6、7月份，正趕上桑拿天，機(jī)房里面空調(diào)還沒(méi)到位。來(lái)了60個(gè)剛剛?cè)胄５拇T士生，都是軍人學(xué)員，有時(shí)候大家把衣服脫掉就穿個(gè)背心，身上刮得一道道的血印子，看著也挺心疼的。但是不這樣做肯定趕不上，所以就24小時(shí)接班，只爭(zhēng)朝夕……”

在科研人員的爭(zhēng)分奪秒下，“天河一號(hào)”比原計(jì)劃提前近一年時(shí)間成功入駐國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心。與此同時(shí)，“天河一號(hào)”也在大洋彼岸掀起了波瀾。

歷史的高光時(shí)刻，停留在2010年11月16日。

這一天，在美國(guó)路易斯安那州新奧爾良市舉辦的世界超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)以計(jì)算峰值4700萬(wàn)億次，高出第二名美國(guó)克雷“美洲虎”1倍多的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，勇奪國(guó)際T0P500排名第一。

中國(guó)超算實(shí)現(xiàn)了彎道超車！

劉光明代表“天河一號(hào)”研制團(tuán)隊(duì)，接過(guò)刻有“中國(guó)制造”的獎(jiǎng)牌。這是自鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，中國(guó)人第一次登上世界科技競(jìng)賽最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。

“當(dāng)時(shí)記者采訪問(wèn)到，你怎么拿到世界第一的？感覺(jué)質(zhì)疑我們?yōu)槭裁磿?huì)有這樣的技術(shù)實(shí)力，是不是偷了他們的核心技術(shù)，”劉光明回憶，“我說(shuō)，一個(gè)國(guó)家、一個(gè)團(tuán)隊(duì)持續(xù)30年做一件事，拿個(gè)世界第一還有問(wèn)題嗎？中國(guó)超算此后輝煌的十年，在這個(gè)起點(diǎn)上意義非常重大?！?/p>

“超算中心所有費(fèi)用加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)收支平衡，還有結(jié)余，這在全世界是第一家。”

“天河一號(hào)”登頂世界第一后，外界的質(zhì)疑隨之而來(lái)，有風(fēng)涼話說(shuō)，“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)中看不中用，甚至說(shuō)“天河一號(hào)”就是一臺(tái)大號(hào)游戲機(jī)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)最重要的作用就是開(kāi)展應(yīng)用、服務(wù)國(guó)家。對(duì)于國(guó)家超算天津中心應(yīng)用研發(fā)部部長(zhǎng)孟祥飛來(lái)說(shuō)，當(dāng)年他正是因?yàn)樵谧约旱难芯款I(lǐng)域國(guó)內(nèi)缺少計(jì)算能力支撐，而選擇留學(xué)美國(guó)。中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，深深觸動(dòng)了孟祥飛，2010年他毅然決定回國(guó)加入天河團(tuán)隊(duì)，成為天河應(yīng)用研發(fā)的中堅(jiān)力量。

頂著外界各種壓力和質(zhì)疑，他毫不猶豫地說(shuō)，“做不好‘天河一號(hào)’的應(yīng)用，我就卷鋪蓋卷走人！”

彼時(shí)，國(guó)內(nèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用剛起步。為了讓“天河一號(hào)”盡快服務(wù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，簽了軍令狀的孟祥飛帶著團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始在全國(guó)各地奔波推廣。

艱難之時(shí)，孟祥飛接到了來(lái)自中國(guó)石油東方地球物理公司的合作意向，其前身石油部物探局正是“銀河－Ⅰ”巨型機(jī)的首個(gè)應(yīng)用單位，這讓天河團(tuán)隊(duì)看到了希望。

在2009年前后，石油勘探領(lǐng)域有一項(xiàng)技術(shù)叫做“逆時(shí)偏移”，是當(dāng)時(shí)比較熱門的一項(xiàng)成像技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)如同給大地做CT，是將地下構(gòu)造通過(guò)計(jì)算機(jī)成像出來(lái)，作為鉆井的依據(jù)，但需要傳統(tǒng)成像技術(shù)幾十倍的計(jì)算量。如果使用常規(guī)計(jì)算機(jī)需要運(yùn)算40多天，但距離這款成像軟件的發(fā)布時(shí)間，僅剩下短短一個(gè)月。

時(shí)間不等人，石油技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定用“天河一號(hào)”試一試。

“那天我們晚上8點(diǎn)多調(diào)好程序把作業(yè)任務(wù)發(fā)到計(jì)算機(jī)上去，到10點(diǎn)鐘的時(shí)候大家去吃飯，吃完飯回來(lái)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)死機(jī)了?！敝袊?guó)石油東方地球物探有限公司研發(fā)部副主任武威回憶。

這樣的狀況出乎意料，擁有著峰值4700萬(wàn)億次的“天河一號(hào)”，怎么突然卡了殼？所有人都在分析可能的原因，尋找解決的辦法。

“那天晚上大家忙到夜里2點(diǎn)左右，修復(fù)存儲(chǔ)、討論方案?！蔽渫f(shuō)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，天河團(tuán)隊(duì)針對(duì)這種大規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐的需求，結(jié)合天河超級(jí)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了負(fù)載均衡數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)優(yōu)化。

一直到第二天下午6點(diǎn)，“逆時(shí)偏移”成像軟件終于得以在“天河一號(hào)”上完美呈現(xiàn)。從原計(jì)劃的40多天，到實(shí)際執(zhí)行的16個(gè)小時(shí)，“天河一號(hào)”用時(shí)間證明了自己。

2010年12月8日，《中國(guó)日?qǐng)?bào)》向全世界介紹了這一成功案例，“天河一號(hào)”再次讓全世界為之關(guān)注。

眼下，“天河一號(hào)”已經(jīng)服役10年，每天運(yùn)行計(jì)算任務(wù)超過(guò)1400個(gè)，一千多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)借助“天河一號(hào)”開(kāi)展科研工作，構(gòu)建形成了石油勘探、生物醫(yī)藥、動(dòng)漫與影視特效渲染、高端裝備制造、地理信息等五大高性能計(jì)算應(yīng)用平臺(tái)。

到2013、2014年時(shí)，國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了收支平衡，大大超出了所有人的預(yù)期?！拔覀儾恢皇前淹顿Y能回收，超算中心所有費(fèi)用加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)收支平衡，還有結(jié)余，這在全世界是第一家?！眲⒐饷髡f(shuō)。

從“銀河”的歷史性突破，到“天河”、“神威”等一系列超級(jí)計(jì)算機(jī)不斷刷新世界速度，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的跨越只用了40年。今天，在國(guó)際TOP500名單里，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)占據(jù)了228臺(tái)，部署量位居世界第一。

在新時(shí)代的中國(guó)，大到國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的氣動(dòng)外形制造，小到商品包裝盒的抗壓設(shè)計(jì)，超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)正深入到國(guó)家發(fā)展的各個(gè)層面。七家國(guó)家級(jí)超算中心橫貫?zāi)媳?，一個(gè)資源共享覆蓋全國(guó)的國(guó)家超算網(wǎng)絡(luò)正在形成。

2020年新冠肺炎疫情肆虐全球，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)的演算，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新冠肺炎會(huì)導(dǎo)致人體停止分解一種叫做緩激肽的化學(xué)物質(zhì)，從而導(dǎo)致患者肺部充滿液體并引發(fā)炎癥，使患者呼吸困難。而依托超算的大數(shù)據(jù)技術(shù)，在疫情聯(lián)防聯(lián)控精準(zhǔn)施策過(guò)程中的應(yīng)用同樣初見(jiàn)成效。

如今，世界超算領(lǐng)域正邁向E級(jí)計(jì)算，即10的十八次方每秒百億億次運(yùn)算，被全世界公認(rèn)為是超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠。早在三年前，中國(guó)就超前布局，同時(shí)啟動(dòng)了E級(jí)超算的研制計(jì)劃。

在第二屆世界智能大會(huì)上，由國(guó)防科技大學(xué)和國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心共同研發(fā)的新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河三號(hào)”原型機(jī)驚艷亮相。如今，天河、神威、曙光三大E級(jí)原型機(jī)已全部交付。

無(wú)論過(guò)去還是現(xiàn)在，無(wú)論苦難還是輝煌。“胸懷祖國(guó)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、志在高峰、奮勇拼搏”的“銀河精神”已成為中華民族精神不可或缺的一部分。面對(duì)未來(lái)人類發(fā)展的諸多難題，需要科技的支撐構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。“超算”的故事還將持續(xù)，中國(guó)的貢獻(xiàn)還將繼續(xù)。（作者：陳璠）