这是科研人员在调试“天河一号”超级计算机系统硬件。
中国第一台千万亿次计算机“天河一号”,在最近正式发布的第 34 届全球超级计算机 TOP500 (前 500 强)排行榜上名列世界第五、亚洲第一。而在前 10 名当中,它是唯一的非美国产品,使中国成为继美国之后世界上第 2 个能够研制出千万亿次超级计算机的国家。
这一排行榜由德国曼海姆大学、美国田纳西大学、美国能源研究科学计算中心 (NERSC) 以及劳伦斯伯克利国家实验室联合举办,如今已发展成为全世界最具权威的超级计算机排行榜,被看作衡量各国超级计算水平最重要的参考依据以及服务器、超级计算机发展的一个风向标。从 1993 年起,它以计算机实测速度( Linpack 测试值)为基准,对全球已安装的超级计算机进行排名,每年两次发布世界上最快的 500 台超级计算机。
近年来,中国已有多台超级计算机系统进入了 TOP500 榜单,“天河一号”之前的最好名次是世界第 10 名(“曙光 4000A ”和“曙光 5000A ”)。
能有多“快”?
每秒钟 1206.19 万亿次的峰值速度和每秒 563.1 万亿次的 Linpack 实测性能,使“天河一号”位居同日公布的中国超级计算机前 100 强之首。而这个速度意味着,“天河一号”运算 1 小时,就相当于全国 13 亿人同时“忙活”一辈子(计算 88 年);只用 1 天,它便能轻松搞定当前一台主流微机 ( 如一台配置 Intel 双核 CPU 、主频为 2.5GHz 的微机 ) 需要计算 160 年的“题目”。
另据了解,“天河一号”的互联通信网络的单根线传输速率为 10Gbps ,这是目前国际上最快的速率,相当于在其体内修了一条信息高速公路。
不仅“跑得快”,“天河一号”的“胃口”同样也很不错——共享存储总容量为 1PB ,也就是 10 亿兆( mb )字节。按中国数字图书馆应用软件的图片格式 PDG 为例计算,能够为全国 13 多亿每人储存 1 张大小接近 1 兆的照片。如果平均每本书大小约 10 兆的话,那么“天河一号”的存储量则相当于 4 个馆藏近 2700 万册的中国国家图书馆藏书量之和。而它的“体形”倒是与饭量相符: 103 个机柜,每位身高 2 米 ,占地 1.44 平方米 ,重 1.5 吨,总重量相当于 19 架中国“神舟”号航天飞船。不过,这在世界上千万亿次超级计算机队列中算是苗条的。可倘若把通风等条件考虑在内,其“豪宅”需要近千平方米。
超级计算机又称“高性能计算机”和“巨型计算机”,是世界上公认的高新技术制高点和本世纪最重要的科学领域之一。“天河一号”是作为中国高技术研究发展计划( 863 计划)中的一个重大项目而于 2008 年开始设计的(投资约 6 亿元人民币)。坐落在湖南省会长沙的中国人民解放军国防科学技术大学是其研制者。 1983 年面世的中国第一台亿次计算机“银河一号”,也诞生于这所赫赫有名的学校。直接参与“天河”研发的团队由 200 多人组成,平均年龄 36 岁。
在超级计算机不断提高运算速度的过程中,“千万亿次”被许多专家认为是一个难以逾越的“关口”与“瓶颈”。美国早在上世纪 90 年代就提出了做千万亿次超级计算机的目标,可直到 2007 年才实现。
“我听到‘天河一号’研制成功的消息时很震惊,我们原来预计千万亿次的计算机要到 2010 年底才会在中国出现。”中国科学院软件研究所并行软件与计算科学实验室副主任张云泉研究员表示,“这是中国超级计算机发展史上新的里程碑。”国防科学技术大学教授窦文华则说,“天河一号”投入使用后,必将推动科学研究的速度。
只是 1 年前,即 2008 年 9 月,中国刚刚下线自己的第一台超百万亿次超级计算机——“曙光 5000A ”,运算峰值速度为每秒 230 万亿次。而仅仅 1 年后,“天河一号”便将中国超级计算机的峰值性能提升到了每秒 1206 万亿次。
也许有人会以为, 10 台百万亿次的巨型机“绑”在一起就能“提升”为一台千万亿次的“天河一号”。对此,国防科学技术大学计算机学院教授、中国科学院院士周兴铭笑曰:“系统的效能绝不是各单元计算效能的简单叠加。”他解释说,如果用高性能微处理器直接堆出一个千万亿次的系统,表面上看“干活”的器件多了,可功率会大得惊人,用户可能连电费都付不起,同时机器的可靠性很低,根本无法稳定工作。“‘天河一号’采用了 7 项关键技术,从而发挥出机器最大的整体效能。”
他所提到的 7 项关键技术的名称,无论中文还是英文,都很“饶腾”,而其中“虚拟化的网络计算支撑技术”字面上似乎还算“好懂”,可外行仍会“不明就里”。周院士只能“通俗而简单”地指出,由于采用了一系列的创新技术,“天河一号”具有高性能(千万亿次)和高安全(实现了不同用户间数据和工作信息的相互隔离,对用户来说,相当于到银行租个保险柜,钥匙则掌握在自己手中)等特点。此外,“傻瓜化”的操作界面和菜单等,让机器使用起来变得很简单方便。同时,作为一台国际通用的标准化的超级计算机,“天河”上能运行来自各行业的各种程序,不存在兼容性问题。
在国际计算机界看来,从百万亿次提升到千万亿次是一个“质的变化”,不可能通过单纯扩大“规模”来实现,而是需要体系结构上的改变。“‘天河一号’采用了创新的多阵列可配置协同并行的体系结构,从而实现了系统性能的提升。”窦文华教授表示,这种体系结构具备构建下一个量级即万万亿次计算机的能力,将会成为下一代高新计算机的主流结构。
一直以来,业界都在争论 PC 的未来是 GPU 还是 CPU ,或 CPU+GPU ,各方见解不一。而与国际上其它千万亿次超级计算机相比,“天河一号”最突出的不同正在于采用了把 CPU 和 GPU 相结合的技术,成为世界上第一台采用 CPU / GPU 混合异构系统的超级计算机。在其身上(全系统),含有 6144 个 CPU (通用处理器)和 5120 个 GPU (加速处理器),仅系统级软件就有 20 多万行代码。按照每人每个小时写 20 行代码的速度,需要写 1 万个小时。
“ GPU 是用来读取图形和视频的,能不能用来计算?有人认为理论上可以,但实际上做出来的东西不行,通常只能发挥出 GPU20% 的计算水平。但此次我们将其效率提高到了 70% ,连生产 GPU 的国外厂家也很受鼓舞,要求与我们联合开展研究。”国防科学技术大学校长、“天河一号”工程领导小组组长张育林教授说。这位 50 年前出生于农村一个贫困家庭、如今拥有将军军衔的博士生导师,曾任中国酒泉卫星发射中心主任和基地司令员与载人飞船“神舟六号”飞行任务发射场区指挥长。“通过‘天河一号’,我们走了一条世界上全新的技术路子,把理论上成立但实际上走不通的路子走通了。”
据他介绍,“天河一号”项目是与天津滨海新区合作完成的。“国家的需求和经济发展支撑,给我们的关键技术提供了转化为现实成果的机遇。”实际上,不光是计算机领域,国防科学技术大学还拥有自主知识产权的磁悬浮等技术。“这些技术不仅能够满足民用需求,更重要的是,项目实施的过程当中又会催生出一大批关键技术。”
