天河一號：中國“大腦”有望奪取世界第一

　　如果在電影里，在這一排排指示燈不斷閃爍的黑色柜子里，多半會存著什么重要的機密文件，但現在，這里正儲存著也許是世界上最快的“大腦”。

　　根據理論數據，它的運算速度可以達到每秒一千萬億次，還有科學家據此推算：全國13億人連續計算88年的數據，交給這個“超級大腦”，只需要1秒鐘。

　　“超級大腦”其實是一臺被命名為“天河一號”的超級計算機。在國家超級計算天津中心的大樓里，它們被裝入100多個用光纖相連的機柜，存放在一間近千平方米的大房間里，不斷發出風扇旋轉的轟鳴聲。這是中國第一臺也是目前唯一一臺千萬億次級別的計算機，它的誕生，也使中國成為繼美國之后，第二個有自主研制如此規模超級計算機的國家。

　　“與‘銀河’系列計算機的定位不同，‘天河’系列的超級計算機主要針對民用市場。”國家超級計算天津中心副主任朱小謙說。他同時介紹，在今年年底正式投入使用之后，這個“超級大腦”可以幫助我們作出更精準的天氣預報、設計更安全的汽車，或者研發更有效的藥物，從而直接影響每一個普通人的生活。

　　這臺國產自主的超級電腦“很有可能摘取世界第一的桂冠”

　　在普通人看來，要提升計算機的計算能力，似乎只要把很多個中央處理器（CPU）“綁”起來就行了。就好像要比10個人的小組工作快10倍，只要找100個人來就可以了一樣。但在計算機的研發中，這一過程卻復雜得多。為了把計算機的運算速度從“每秒一百萬億次”增加到“每秒一千萬億次”，中國科學家花了3年的時間。

　　“影響計算機性能的因素有很多，除了CPU本身的性能，它們之間的通信狀況也很重要。”朱小謙說。

　　在現實生活中，當我們把一份任務分給100個人去做的時候，除了前期把工作細分，最后把個人的工作匯總，中間還要讓這100個人進行適當的溝通和配合，否則就會產生嚴重的內耗，降低工作效率。

　　研發超級計算機的并行工作原理也是如此。不同的計算子任務之間應當不斷交流計算的進度，在需要的時候交換計算結果并且相互配合。這些工作無法完成，電腦就會產生大量的“額外開銷”，消耗大量的電力，也完全實現不了自己應有的運算能力。

　　當超級計算機的研制提高到“千萬億次”的級別，計算規模越來越大，CPU的數量越來越多的時候，如何提高元件間的相互通信能力就成了學術界討論的熱點。與過去的超級計算機中單純使用CPU不同，一些學者提出，可以將普通計算機中用于圖形處理的圖形處理器（GPU）應用在超級計算機中，成為計算過程中的“加速模塊”。

　　“CPU與GPU的結合可以讓相同計算能力的計算機的體積更小，消耗的能量也更低。”朱小謙說。

　　不過，在很長一段時間里，這兩種處理器共同工作的模式一直停留在理論研究的階段。美國已有的千萬億次計算機仍然保留了單純使用CPU的方式，但“天河一號”的研發人員卻第一次將學術界討論的“概念機”變成了現實。

　　在“天河一號”一排排高大的機柜里，一共裝有6144個CPU和5120個GPU，這就是它驚人運算速度的原因。有媒體描述說，“天河一號”一天的計算量，當前主流的雙核處理器微機要算160多年。

　　朱小謙并不認同這樣簡單的比喻。“天河一號不能直接和一臺微型電腦相比。”朱小謙說，“單個CPU并不能體現出它的速度，它的功能是整體協作的結果。”

　　他解釋說，同樣一臺超級計算機，在用于天氣預報的計算時可能速度特別快，但用于航空領域的計算時效果就沒那么好。計算機的速度與程序的算法直接相關，因此，很難籠統地對它的速度進行直接評價。

　　不過在國際上，人們還是找到了衡量超級計算機的標準。通過運行一個世界通行的“基準測試程序包”，人們就能獲得計算機的速度評價，甚至還有人每年以此為標準對超級計算機進行“世界500強”排名。

　　這個由德國人在1993年創立的排行榜每半年發布一次。在2009年11月發布的第34季超級計算機500強的排名中，一個月前剛研制成功的“天河一號”在全球排名第五，亞洲排名第一。這是中國計算機首次在這一榜單中進入前5名。

　　在2009年研發完成之后，國家超級計算中心的工作人員又對“天河一號”的性能進行了優化更新，其中CPU更是換成了國產自主研制的“飛騰”芯片，“性能更加強大”。

　　對于今年11月的新一輪“500強”排名，朱小謙非常保守地表示，“‘天河一號’很可能會有更好的名次。”而另一些超級電腦工業的科學家和工程師則提出，當今中國制造的超級電腦“很有可能摘取世界第一的桂冠”。

　　中國正迅速成為高性能電腦領域的“玩家”

　　在超級計算機領域，美國的領先優勢非常明顯：在2009年的電腦“世界500強”排名中，282臺來自美國。

　　不過，從2009年開始，來自中國的超級計算機已經逐漸嶄露頭角，除了“天河一號”，在2010年上半年的排名中，同樣來自中國的“曙光星云”超級計算機排到了第二名。

　　“這肯定有一定的鼓舞作用。”牛津超級計算中心的主任喬·洛克利博士在接受采訪時評價說，“中國正迅速成為高性能電腦領域的‘玩家’，這將意味著真正的工業興起。”

　　事實上，在許多工業研究領域，超級計算機都發揮著越來越重要的作用。在石油勘探的過程中，對地下構造的計算、分析有助于精確尋找油藏的位置，而在飛機研發領域，超級計算機能夠模擬大量的試驗，從而制定出最好的設計方案。

　　洛克利表示，雖然中國超級計算機研究的起步比較晚，但這剛好提供了一個“很高的起點”：不需要浪費資源去解決一些發展初期所要面對的瓶頸和難題。美國早在1990年就提出了制造千萬億次級巨型計算機，但直到2009年，這一目標才得以實現。幾個月之后，中國的計算機就達到了同樣的目標。

　　朱小謙從1998年就投身超級計算機應用研究工作，對國產超級計算機的每次技術進步如數家珍。雖然這些變革在普通公眾看來，不過是一塊塊同樣陌生的芯片。而從外觀上來看，國內的超級計算機“組裝密度越來越高，體積也越來越大，計算能力更是直線增長”。

　　在今年的排名中，已經有24臺國產超級計算機排入了“世界500強”的名單。除了人們熟悉的“銀河”、“神威”等用于軍事開發的計算機，“曙光”、“聯想”、“浪潮”等民用計算機也在普通人的生活中發揮著重要作用。

　　不過，這一領域日新月異的高速發展并沒有給研究人員什么時間用來欣喜。事實上，就在“天河一號”排名世界第五之后，在2010年上半年的第35季電腦“世界500強”排名中，這一名次就跌落到了第七位。

　　“全世界計算機的發展非常快，一年的時間就可能什么都變了。”朱小謙說，“真正重要的還是把它們推廣應用，產生實際的效益。”

　　就像愛因斯坦的大腦推動了科學的進步一樣，這個也許是世界上最快的“大腦”，也能讓我們的生活變得更加美好。

　　“天河”系列超級計算機的名字，取自國防科技大學“銀河”系列計算機與天津市濱海新區的合作。2009年9月，“天河一號”在研發完成后被運到天津，在正式投入使用之前，超級計算中心先將一個運算能力為1/10的小系統向公眾開放。

　　現在，已經有天津市生物醫藥聯合研究院、南開大學等研發單位利用小系統進行藥物研發，天津的動漫產業綜合示范園也在此進行一些動畫的制作。

　　“‘天河’一號為用戶的設計研發提供了一個高性能的運算平臺。”朱小謙說。

　　他介紹說，在使用“天河一號”的系統時，工作人員先幫用戶把程序移植到業務主機上來，隨后通過調試讓程序更符合機器的特點，運行得更加高效、經濟。

　　“天河一號”的使用也并不局限在天津地區。事實上，它還提供了24小時的網絡遠程應用服務。人們可以在得到超級計算中心的授權之后，從自己的電腦通過互聯網連接到“天河一號”，上傳自己的程序，下載運算數據，從而“使有興趣的大、中學生也可以進行課題研究”。

　　不過，朱小謙也表示，對于“天河一號”這樣的千萬億次級超級計算機，由于CPU之間的相互協調需要大量能耗，普通的程序未必能體現出它的“強大能力”：“要充分發揮它的優勢，所需要的計算量一定要具有相當規模，否則就是‘大炮打蚊子’了。”

　　現在，這臺中國最快的計算機正立在天津濱海新區的產業園區里。國家超級計算天津中心的工作人員正馬不停蹄地對它進行調試。除了通過測試程序來判斷機器的狀態是否穩定，元器件故障也是工作人員的重點排查對象。

　　對于只擁有一個CPU的普通電腦而言，發生故障的概率很低，但在 6000多個CPU 和5000多個GPU 聚集在一起之后，發生故障的概率就高得驚人了。“天河一號”的監控管理系統能夠及時提示發生故障的節點，并且將CPU上運行的任務遷移出來，而工作人員也同樣需要及時將壞掉的CPU進行維修、替換。

　　“我們計劃在第四季度讓它投入正式運行。”朱小謙說。

　　盡管調試還沒有完成，工作人員已經期待著這臺中國最快的計算機在更多的領域一展身手：它可以在藥物研發中對所有可能的分子組合進行高速測試，從而篩選出十幾種甚至幾十種藥物進行實驗；它可以用高速的計算分析氣流、云層數據，從而作出7天甚至更長的精確天氣預報；它能夠對股票期貨的投資進行詳細模擬計算，甚至可以將行動建議精確到“幾分幾秒出手”；它也可以反復模擬安全碰撞試驗，減小設計誤差，提高汽車的質量和安全性能……

　　或許，就像愛因斯坦的大腦推動了科學的進步一樣，這個也許是世界上最快的“大腦”，也能讓我們的生活變得更加美好。

2009年10月29日，國防科技大學成功研制出的峰值性能為每秒1206萬億次的“天河一號”超級計算機在湖南長沙亮相。我國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機，是世界公認的高新技術制高點和21世紀最重要的科學領域之一。

這是科研人員在對“天河一號”超級計算機進行系統性能測試。

這是“天河一號”千萬億次超級計算機系統。