原创《超算神威》
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超级计算机一向被称为国之重器.超级计算属于战略高技术领域,是世界各国竞相角逐的科技制高点,也是一个国家科技实力的重要标志之一.2015 年12 月,中国研发出了当时世界上最快的超级计算机―“神威·太湖之光”,目前落户在国家超级计算无锡中心.
国家超级计算无锡中心的段芳女士带记者走进超级计算机大厅,1000 多平方米的机房内,一排排高大的黑色机仓整齐陈列着,顶上一圈随时变换色彩的光带,昭示着超级计算机无时无刻不在运行着.段芳女士介绍说,“神威·太湖之光”是世界首台峰值运算速度超过10 亿亿次/ 秒、并行规模超千万核的划时代的新型超级计算机.“神威·太湖之光”的计算能力相当于2000 多万台普通的笔记本电脑,主存储量相当于780 个国家图书馆藏书量.这套系统1 分钟的计算能力,相当于全球72 亿人同时用计算器不间断地计算32 年.
自2016 年6 月至2018 年6 月,“神威·太湖之光”超级计算机一直名列世界第一.虽然目前它被美国“顶点”超级计算机和美国“山脊”超级计算机超越,位列第三,但中国超级计算机在世界超级计算机TOP500 上榜总数位列世界第一.国家超级计算无锡中心研发工程师徐敬蘅告诉记者,世界超级计算机TOP500 上榜数反映一个国家对超级计算机的重视程度.2017 年,中国超级计算机上榜总数首次超过美国.在2018 年11 月最新的TOP500 排名中, 中国总数为229 台, 是美国的两倍多,美国总数为108 台.
我国超级计算机发展历程
1983 年12 月,由国防科技大学研制的“银河一号”超级计算机,峰值计算速度达到1 亿次/ 秒,标志着我国成为继美国、日本等国之后,能够独立设计和制造巨型机的国家.
1993 年10 月, 由国家智能计算机研究开发中心研制的“曙光一号”超级计算机,峰值计算速度达到6.4 亿次/ 秒,标志着我国已经掌握了设计制造支持多线程机制的对称式紧耦合并行机.
1998 年8 月,由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“ 神威Ⅰ” 超级计算机,安装在中国国家气象局,峰值计算速度达到3840 亿次/ 秒,是国内首台峰值性能突破千亿次的计算机,主要技术指标和性能达到国家先进水平,继美国、日本之后,我国成为具备自主研制千亿次高性能计算机能力的国家.
2009 年10 月, 由国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机,峰值计算速度达到1206 万亿次/ 秒,是我国首台千万亿次超级计算机.
2011 年10 月, 由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威蓝光”超级计算机,安装在国家超级计算济南中心,峰值计算速度达到1100 万亿次/ 秒,是国内首台全部采用国产处理器和系统软硬件构建的千万亿次计算机系统.我国成为继美国、日本之后,能够采用自主CPU 构建千万亿次级超级计算机的国家.
2013 年6 月,由国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机,峰值计算速度达到5.49 亿亿次/ 秒,以比第二名美国“泰坦”快近一倍的速度,成为当时全球计算速度最快的超级计算机.
2015 年12 月, 由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”超级计算机,峰值计算速度超过10 亿亿次/ 秒,系统全面采用国产高性能处理器,处于世界领先水平.
首次完全使用“中国芯”
“ 神威· 太湖之光” 采用的处理器, 是自主设计生产的国产芯片—“ 申威26010”众核处理器.
时光回转到2015 年4 月9 日,美国商务部发布公告：禁止向中国4 家国家超级计算中心出售高性能计算芯片.当时,中国的“天河二号” 在世界超级计算机TOP500 排行榜上已连续4 次位列第一,它使用的就是美国英特尔公司生产的“至强”芯片.面对美国对中国的技术封锁,中国科学家没有停止对自主可控芯片的研发.早在2014 年立项时,“神威·太湖之光”就确立了核心技术完全国产化的目标.当年底,基于国产“申威26010”处理器的“神威·太湖之光”完成原型机测试；美国禁售令公布半年之后,“神威·太湖之光”完成了研发工作.
“ 申威26010” 是“ 神威· 太湖之光”的心脏.这是一款具有独特性的处理器,它采用了片上融合的异构众核体系结构,以及具有自主知识产权的指令集和完整的配套软件生态系统.这种独特的体系结构在25 平方厘米的方寸之间集成了260 个运算核心、数十亿个晶体管,达到了3 万亿次/ 秒的计算能力.除了芯片,作为一个超算系统,“神威·太湖之光”在体系结构、高速互联、系统软件等关键技术上都实现了前所未有的创新和突破,带来了在性能上的跨越式发展.
屡获奖项的“神威·太湖之光”
2016 年6 月20 日, 在法兰克福世界超级计算机大会上, 国际TOP500 组织发布榜单,“神威·太湖之光”超级计算机系统登上榜单之首,成为世界上首台峰值运算速度超过10 亿亿次/ 秒的超级计算机.
2016 年11 月14 日,在美国盐湖城公布的新一期TOP500 榜单中,“神威·太湖之光”蝉联冠军.
2016 年11 月18 日,我国科研人员依托“神威·太湖之光”应用成果首次荣获“戈登·贝尔” 奖, 实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破.
2017 年6 月19 日,“ 神威· 太湖之光” 又夺得全球超级计算机TOP500 的冠军.在它身上, 拥有运算着全球最大的虚拟宇宙,用10 万亿个数字粒子模拟出宇宙的形成和早期的扩张.2017 年11 月17 日,基于我国超级计算机“神威· 太湖之光” 的非线性大地震模拟应用, 再次荣获“戈登·贝尔”奖.2017 年11 月13 日, 全球超级计算机TOP500 榜单公布,“神威·太湖之光”以9.3 亿亿次/ 秒的浮点运算速度第4 次夺冠.与“天河二号”之前的登榜纪录叠加,中国超级计算机已经连续第十次蝉联世界超级计算机榜单冠军.
“神威·太湖之光”服务于多个领域
按照目前的统计,“神威·太湖之光”两年来的利用率已经超过70%,累计拥有几百项应用课题,目前有一些重大项目正在“神威·太湖之光”上进行全机调试,比如2016 年“神威·太湖之光”的获奖应用—“全球大气非静力云分辨模拟”.徐敬蘅介绍说,超级计算机在科学与工程领域应用最早、最广泛,应用效果也最显著.“神威·太湖之光”对我国科技创新和经济发展具有十分重要的作用.“神威·太湖之光”系统自投入使用以来,已为上百家用户、数百项大型复杂应用课题的计算提供了服务,涉及气候、航空航天、海洋环境、生物医药、船舶工程等20 多个领域.例如,运用“神威·太湖之光”进行超大规模电磁仿真计算.该课题研究以“神威·太湖之光”超级计算机等高性能计算平台为基础,计算各类目标的电磁散射和辐射特性.所开发的超大规模高阶矩量法达到国际领先水平,已部署于国家超级计算无锡中心等平台,服务于中国航天、中电集团等20 多个机构,应用于预警机等重大工程.时域有限差分法、物理光学法目前在“神威·太湖之光”上分别达到了468 万和130 万计算核心的规模.再比如,运用“神威·太湖之光”进行精细风资源预测CFD 模拟.风能是清洁能源的重要组成部分,而精细风资源预测,对于风机选址及发电量预测具有十分重要的作用.精准的发电预测,可以降低风电的不确定性带来的高弃风率,提高风电利用率和发电成本.该课题通过对“远景能源”CFD 程序进行全面、多层次优化加速,使CFD 业务运行速度在“神威·太湖之光”超级计算机上整体提升了3.5 倍,每年可以结余数百万机时费.
中国超级计算机的未来—E 级计算机
E 级计算机是指可进行百亿亿次每秒数学运算的超级计算机,被全世界公认为“超级计算机界的下一顶”,它将在解决人类共同面临的能源危机、污染和气候变化等重大问题上发挥巨大作用.中国的E 级计算机的原型机已经完成了设计研发,并且已经顺利地通过了国家级验收,也就是说我国已经成为世界上首个实现E 级计算机技术研发的国家.随后,我国将开始全面进入E 级计算机的工程化制造阶段.
从2013 年开始,中国就一直是世界超级计算机排名的第一名.直到2018 年6 月8 日,美国成功研发出了“顶点”超级计算机,并且在2018 年6 月的评比中重新拿到了世界第一.目前,美国的“顶点”超级计算机的浮点运算速度为14.35 亿亿次/ 秒.徐敬蘅透露,我国计划在2020 ～ 2021 年正式推出E 级计算机.也就是说,两年以后中国可能会重摘超级计算机世界第一的桂冠.
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