6月17日，最新全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜單公布，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的天河二號以每秒33.86千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度，成為全球最快的超級計(jì)算機(jī)。這是時(shí)隔兩年半后，中國再一次獲得世界超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度第一的桂冠。

在2013國際超級計(jì)算大會上，專家們認(rèn)為，天河二號的性能表明，中國的超級計(jì)算機(jī)取得了飛躍。超級計(jì)算機(jī)的開發(fā),已經(jīng)真正進(jìn)入了美中日歐并立的四強(qiáng)時(shí)代。

▲ 天河二號工程研究人員查看系統(tǒng)運(yùn)行情況

為何還得用外國芯？

時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)早已成為進(jìn)入千家萬戶和廠礦學(xué)校的日常工具，大眾對其并不陌生。然而什么是超級計(jì)算機(jī)？

其實(shí)，超級計(jì)算機(jī)的基本組成與你我手中的個人電腦相比并無太大差異，規(guī)格與性能則強(qiáng)大太多。以處理器CPU為例，目前的個人電腦一般是兩到四核，而像天河二號這樣的超級計(jì)算機(jī)則會集成數(shù)以萬計(jì)的CPU。這就好比雙人戰(zhàn)斗小組和集團(tuán)軍的區(qū)別，前者靈活機(jī)動，用于完成各種個性化小任務(wù)；后者威武雄壯，用于達(dá)成各類關(guān)系重大的戰(zhàn)略目標(biāo)。

在超級計(jì)算機(jī)超級運(yùn)算速度下，人們可以完成普通計(jì)算機(jī)不能完成的大型復(fù)雜課題。假設(shè)每人每秒鐘進(jìn)行1次運(yùn)算，需要我國13億人同時(shí)用計(jì)算器算上1000年才能完成的運(yùn)算工作，天河二號花上1小時(shí)就能搞定了。

天河二號的性能在全世界超級計(jì)算機(jī)中可以稱得上是“一騎絕塵”，它把第二名遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拋在了后面。排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學(xué)教授杰克·唐加拉曾于今年5月對天河二號進(jìn)行了現(xiàn)場考察。他在研究報(bào)告中指出，標(biāo)準(zhǔn)測試顯示，天河二號運(yùn)算速度比排行榜上的亞軍——美國的“泰坦”快了74%。唐加拉表示：“天河二號頗富中國特色，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、前端處理器、軟件等都主要由中國技術(shù)人員發(fā)明創(chuàng)造。”

一騎絕塵的天河二號是中國人的驕傲，但這種驕傲里也不乏遺憾：天河二號的計(jì)算陣列由國際商用CPU構(gòu)建，服務(wù)陣列由中國自主研制的CPU“飛騰1500”構(gòu)建。國產(chǎn)CPU僅僅占全部CPU的1/8。

當(dāng)然，人們也可以從另一個角度看成績，比如說，國產(chǎn)CPU已經(jīng)占全部CPU的1/8。美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室副主任霍斯特·西蒙就是采取的這種視角。他表示，盡管天河二號仍主要采用英特爾公司芯片，但中國自主研發(fā)的芯片達(dá)到4000塊左右，顯示出中國超級計(jì)算機(jī)對國外技術(shù)的依賴正在減弱。“在一些美國傳統(tǒng)的領(lǐng)先領(lǐng)域，中國正切切實(shí)實(shí)地加入比賽，并且獲得勝利。”

為什么有了中國芯，天河二號還得用外國芯？

天河二號副總指揮、新聞發(fā)言人李楠坦陳，天河二號無法完全使用國產(chǎn)CPU，是出于軟件兼容性的需要。

超級計(jì)算機(jī)有5個核心要素：體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)技術(shù)、操作系統(tǒng)、CPU和應(yīng)用軟件，缺一不可。李楠說，天河二號獨(dú)創(chuàng)的異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)（見鏈接1）很可能再次引領(lǐng)國際潮流，自主研發(fā)的高速互聯(lián)性能是國際商用產(chǎn)品的兩倍，國產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)具有很高的安全性。“因此，前三個要素我們都解決得很好，但后兩個要素是短板。”

“飛騰1500”性能比用于天河一號的“飛騰1000”提高了18倍，與國際商用CPU已經(jīng)屬于同一代產(chǎn)品。但目前我國大多數(shù)大型應(yīng)用軟件都從國外引進(jìn)，只能在國際商用CPU上運(yùn)行。如果全部使用國產(chǎn)CPU打造超級計(jì)算機(jī)，將只能用于天氣預(yù)報(bào)等我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)用軟件的行業(yè)。而天河二號需要面向各領(lǐng)域用戶，只能用國際商用和國產(chǎn)的CPU共同構(gòu)建系統(tǒng)。

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【鏈接 ①】

異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)：

體系結(jié)構(gòu)是超級計(jì)算機(jī)的筋骨。

我國科技人員首創(chuàng)的獨(dú)具匠心的“ＣＰＵ＋ＧＰＵ異構(gòu)融合體系”曾在天河一號中獲得成功。之后，這種結(jié)構(gòu)已被國際上很多超級計(jì)算機(jī)采用。

這一回，中國設(shè)計(jì)師們再辟蹊徑：天河二號沒有繼續(xù)使用ＧＰＵ，而是用被稱為ＭＩＣ的英特爾部件作為加速器。這一被稱為“新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)”的全新搭配方式不僅大大提高了機(jī)器的計(jì)算速度，還將天河二號的應(yīng)用從科學(xué)計(jì)算拓展至高效大數(shù)據(jù)處理、高吞吐率和高安全信息服務(wù)等多個領(lǐng)域。

第一名的大旗能扛多久？

風(fēng)云變幻的世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜，鮮明地體現(xiàn)著“皇帝輪流做，明年到我家”的自由競技精神。冠軍的寶座常常不等捂熱，就被新的競爭對手奪去。天河二號的哥哥天河一號曾于2010年奪冠，此后不足8個月，就被日本的超級計(jì)算機(jī)“京”超越。

所以人們不禁要問：對天河二號來說，第一名的大旗能扛多久？

大多數(shù)專家認(rèn)為，因?yàn)轭I(lǐng)先第二名太多，天河二號的冠軍稱號應(yīng)該至少能保持一年，沒準(zhǔn)還能維持到2015年。內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)、存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié)、最大運(yùn)行功耗17.8兆瓦的天河二號，與第二名（也是前冠軍）的美國“泰坦”相比，持續(xù)計(jì)算速度約是“泰坦”的2倍，計(jì)算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比則相當(dāng)。

中國科學(xué)院超級計(jì)算中心主任遲學(xué)斌的統(tǒng)計(jì)表明，最近10年，美國超級計(jì)算機(jī)性能提升了500倍，中國超級計(jì)算機(jī)性能則提升了5000倍。這意味著中國超算的發(fā)展速度和發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。

3年中兩度研發(fā)出全球速度最快的超級計(jì)算機(jī)，短短十幾年里擁有超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量從零躍居世界第二，這個成績顯示了中國科技實(shí)力的巨大進(jìn)步。不過美國仍是超級計(jì)算機(jī)運(yùn)用最為廣泛的國家，因?yàn)槌売?jì)算機(jī)500強(qiáng)中，有超過一半屬于美國。日本、歐洲也實(shí)力強(qiáng)勁，今后的國際競爭將會非常激烈。

過去30年，高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展驚人，其性能每10年提高1000倍。如今，一臺個人掌上電腦Ipad2的速度，就相當(dāng)于1985年的超級計(jì)算機(jī)世界冠軍Cray2。超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度甚至超過了廣為人知的摩爾定律。（見鏈接2）

未來的超級計(jì)算機(jī)將是什么模樣？在一些科幻小說及電影中，人們已經(jīng)設(shè)想了更高級的超級計(jì)算機(jī)，例如將全球電腦融為一體的超級電腦。但現(xiàn)實(shí)中的競爭如此激烈，理想中的合作是否可能？

科學(xué)家們對此表示了樂觀的態(tài)度，李楠就從中看到了合作機(jī)遇。他說，將來的超級計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越復(fù)雜，編程、能耗等眾多問題非一國科學(xué)家能夠解決，所需資金也會是一個龐大的數(shù)字。更重要的是，氣候、能源、生命科學(xué)、宇宙科學(xué)等關(guān)系人類未來命運(yùn)的全球性問題，離不開全球性的解決方案，離不開全球科學(xué)家協(xié)同創(chuàng)新。

目前，國家超級計(jì)算天津中心已與歐盟相關(guān)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展基于天河一號核心技術(shù)的并行計(jì)算技術(shù)研究。李楠認(rèn)為，未來應(yīng)該建立國際性的超算中心作為共同應(yīng)對挑戰(zhàn)的平臺。“集中全球智慧發(fā)展高性能計(jì)算是人類長遠(yuǎn)發(fā)展的需要，也是我們中國計(jì)算機(jī)科學(xué)家的愿望。我相信這一天不會太遠(yuǎn)。”

美國工程院院士、超級計(jì)算機(jī)Top500主持人之一杰克·唐加拉也認(rèn)為，在工程資金競爭激烈的情況下，一些國家難以承擔(dān)超級計(jì)算機(jī)的巨額費(fèi)用，聯(lián)合各國共同研制計(jì)算機(jī)，將使各方受益。

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【鏈接 ②】

摩爾定律：

我們從廣義上將摩爾定律表述為計(jì)算機(jī)芯片的性能每18個月翻一番?？纯碩op500榜單的變化你會發(fā)現(xiàn)，超級計(jì)算機(jī)的性能其實(shí)是每14個月就增加一倍，比摩爾定律預(yù)言的更快。這是計(jì)算機(jī)采用了并行處理的結(jié)果。

超級計(jì)算機(jī)到底能算啥？

顧名思義，超級計(jì)算機(jī)，最強(qiáng)大的就是它們的超級計(jì)算力?？墒浅売?jì)算機(jī)到底能算啥？

哈勃望遠(yuǎn)鏡看不到億萬年前的太空，計(jì)算機(jī)能算出來。實(shí)驗(yàn)無法預(yù)知未來氣候，計(jì)算機(jī)能算出來。海嘯來襲速度極快，但美國科學(xué)家最近在超級計(jì)算機(jī)上發(fā)現(xiàn)了海嘯和地震聲波的關(guān)系，可以通過探測聲波提前預(yù)警。超級計(jì)算機(jī)能算出這些關(guān)系人類未來生存和發(fā)展的大科學(xué)問題，這就是超算發(fā)展的根本驅(qū)動力。

“超級計(jì)算機(jī)是高度復(fù)雜的科學(xué)構(gòu)體，就像能夠預(yù)知未來的水晶球。”杰克·唐加拉說，“未來氣候變化、星系撞擊、藥物設(shè)計(jì)，這一切都可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。高性能計(jì)算讓我們能夠更深入地觀察問題，解析度和結(jié)果的逼真度更高，當(dāng)然，求得結(jié)果的速度也更快。比如天氣預(yù)報(bào)。如果計(jì)算機(jī)很慢，要想知道明天天氣怎樣，也許得24個小時(shí)。那么運(yùn)算就失去意義了——24小時(shí)后你完全可以朝窗外看看天氣怎樣即可。因此，我們要求計(jì)算機(jī)速度快、求解精確，這兩項(xiàng)指標(biāo)都得靠高性能運(yùn)算。”

從天河二號與此前超級計(jì)算機(jī)的對比，我們也能看到超級計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)步對解決實(shí)際問題的影響。用于科研：回溯地球上的氣候變遷歷史，天河一號可以模擬2000年前的變化，天河二號則可以模擬到5000年前甚至更遠(yuǎn)。用于藝術(shù)：電影《阿凡達(dá)》動漫渲染制作耗時(shí)一年多完成，如果用天河二號，僅用１個月就可完成。用于工業(yè)：傳統(tǒng)手段研發(fā)新車要經(jīng)過上百次碰撞實(shí)驗(yàn)、歷時(shí)兩年多才能完成，而利用天河二號進(jìn)行模擬，只需3到5次實(shí)車碰撞、兩個月即可實(shí)現(xiàn)。

事實(shí)上，想用天河二號做算術(shù)題的用戶已經(jīng)排上了大隊(duì)。天河二號將作為廣州超級計(jì)算中心的主機(jī)，在2013年下半年安裝交付。而國家超級計(jì)算天津中心主任劉光明透露，天河二號研制成功后，很多天津中心天河一號的老用戶已經(jīng)迫不及待地提出對天河二號的使用申請。

超算是一種能力，這種能力可能用于各個方面。只要發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立數(shù)理模型、寫出應(yīng)用軟件，就能把超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力轉(zhuǎn)化為具體成果。超級計(jì)算機(jī)到底能算啥？那要看你能教它算啥。

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作者：tee