天河一號：“中國速度”再次震驚世界

科研人員在對“天河一號”超級計算機進行系統性能測試。

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　　“中國速度”再次震驚世界：11月14日，世界權威的國際TOP500組織在其網站上公佈了全球超級計算機500強最新排行榜，中國自主研製的“天河一號”二期系統（TH—1A）躍居榜首，成為世界運算速度最快的超級計算機。

　　“天河一號”的運算速度有多快？它是幹什麼用的？“中國速度”全球第一能保持多久？本文為你一探究竟。

　　11月16日，在位於天津濱海新區的國家超級計算天津中心二樓，記者見到了全球冠軍“天河一號”：140個看上去像黑色冰箱的機櫃，在700平方米的機房內整整齊齊排成13排。

　　“超級計算機被譽為計算機中的珠穆朗瑪峰，代表了一個國家計算機設計、製造和應用的最高水平。”“天河一號”工程辦主任李楠研究員告訴記者，TOP500排名榜目前由德國曼海姆大學、美國田納西大學、美國能源研究科學計算中心（NERSC）、勞倫斯伯克利國家實驗室聯合舉辦，已成為衡量各國超級計算水平最重要的參考依據。

　　在這次TOP500榜單中，中國在前十中佔有2席，僅次於美國；在前500強中，我們佔了41席，總體佔有率8.2％，位居第二。而在2009年11月的TOP500排名中，我國還只有21台，總體佔有率4.2％，位列第五。“這説明，我國的超級計算機研製水平在以較快的速度，整體趕超。”李楠興奮地説。

　　特點

　　速度全球第一，能效世界領先

　　“天河一號”的速度有多快？

　　李楠告訴記者，“天河一號”的峰值運算速度為每秒4700萬億次。“天河一號”運算1小時，相當於全國13億人同時計算340年以上；“天河一號”運算1天，相當於1台雙核的高檔桌面電腦運算620年以上。

　　“天河一號”的存儲容量也大得驚人：其存儲容量為2PB，也就是2千萬億個字節。1個漢字平均為2個字節，“天河一號”即可在線存儲1千萬億個漢字，相當於存儲100萬字的書籍10億冊。

　　“‘天河一號’還是同行中的綠色先鋒。”李楠介紹説，總功耗和能效值也是當前衡量超級計算機是否先進的重要指標，前者是指超級計算機滿負荷工作時的最大功耗值，後者是指“每瓦特可實現‘每秒多少百萬次雙精度浮點運算’”（MFlops/W），這是衡量超級計算機是否綠色、低碳的指標。

　　據他介紹，“天河一號”滿負荷運行的總功耗是4.04兆瓦，每小時耗電4040度，24小時滿負荷工作耗電接近10萬度。“這個數字聽上去很驚人，但其實，‘天河一號’是一台節能的綠色超級計算機。”李楠説，經過測算，它的能效值為635.15MFlops/W，也就是每瓦特可實現每秒635.15百萬次浮點運算。這個能效值，目前僅低於能效排名世界第一的“IBM藍色基因”。

　　“此外，‘天河一號’還具有高安全性的特點。”“天河一號”主任設計師盧宇彤研究員介紹，其所採用的國防科技大學自主研製的麒麟操作系統，是國內唯一通過了國家公安部B2級（最高等級）認證的操作系統。“用戶使用麒麟操作系統，可定制自己的私密工作空間，就像租用了銀行的保險箱一樣，鑰匙和密鑰都在用戶手上，其它用戶甚至系統管理員都不能訪問。而且，麒麟操作系統的有關內核和接口是我們自行定義和自行研製的，黑客很難理解和掌握。”盧宇彤笑著説。

　　應用

　　破解計算問題，助推戰略産業

　　“超級計算機是需求牽引的産物。”李楠説，經濟、科技、國防等領域存在一系列複雜、大型的問題需要求解，科學家經過長期努力，為這些問題建立了越來越精細的物理模型，通過相應的計算方法，可以在計算機上求解。這些計算問題中，最複雜、最大型的一類，被稱之為“挑戰性計算問題”，必須依賴運算速度極快的大容量大型計算機，才能在有效的時間內完成。

　　據李楠介紹，超級計算機能夠有力推動國家科技創新能力的提升。理論研究、實驗和計算，是科學研究常用的三種手段，超級計算機可以幫助科學家更好地理解自然世界、發現科學規律，從而推動科技進步。例如，2007年諾貝爾物理學獎獲得者彼得格林貝格爾，就是德國尤利西研究中心的科學家。他借助該中心裝備的超級計算機，發現了“巨磁電阻”效應，使得小型大容量硬盤成為可能。

　　其次，超級計算機能夠有力推動經濟和社會的發展。除了新能源、新材料、生物醫藥、節能環保等戰略性新興産業，天氣預報、氣候預測、地震監測等社會保障事業，對超級計算的依賴性也越來越強。

　　國家超算天津中心副主任朱小謙研究員告訴記者，目前“天河一號”已成功應用於石油勘探、高端裝備研製、生物醫藥、動漫設計、新能源、新材料、工程設計與倣真分析、氣象預報等領域，先後為20多個單位提供了高性能計算服務。其中，中國科學院軟體研究所已用“天河一號”進行了全球大氣淺水波全隱式數值模擬和地球外核熱流動數值模擬兩大科學難題研究。他們的評價是：“天河一號”穩定可靠、使用界面友好，尤其是自主開發的網絡系統帶寬高、延遲低，與“IBM藍色基因”等相比毫不遜色。

　　前景

　　獲歷史性突破，整體差距猶在

　　“我國的高端信息技術和産業還處在發展過程中，‘天河一號’此次奪魁，是歷史性的突破，實屬不易。”李楠説，它在國際上首創了CPU和GPU相融合的高效並行計算體系結構，突破了具有世界領先水平的高速互連通信技術。這再次證明，只要我們找準突破口，堅持自主創新，就能夠研製出具有世界領先水平的産品，變“中國製造”為“中國創造”。

　　“當然，我們對取得的成績要有一個理性的判斷，不能沾沾自喜。”“天河一號”副總設計師胡慶豐研究員説，從歷史上的TOP500排名來看，美、英、法、德、日是超級計算機研發和應用的傳統強國，其中美國憑藉其長期的技術積累，具有絕對優勢地位。“在這次排名中，美國佔了274席，仍然具有絕對優勢”。

　　他指出，與發達國家尤其是美國相比，我國在核心電子器件、高端通用芯片和基礎軟體，以及大型行業應用軟體等方面存在明顯差距，不同程度地依賴國外進口。就拿“天河一號”來説，還只是部分採用了我們自主研製的飛騰—1000中央處理器。

　　胡慶豐説：“‘天河一號’的應用推廣工作還剛剛起步，應用的深度和廣度還遠遠不夠。在充分發揮系統並行計算能力、優化系統應用效率等方面，還面臨很多挑戰，趕超世界先進水平還有很長的路要走。”

　　“天河一號”世界第一的位置能維持多久？李楠説，相互超越很可能會成為今後世界超算強國競爭的常態。他舉例説，2002年日本以“地球模擬器”超越美國，居TOP500榜首，但美國在2004年即再次超越，奪回霸主地位。據《紐約時報》報道，目前美國已計劃製造更快的超級計算機。此外，日本也正在研製萬萬億次超級計算機K系統。

　　“國家已經啟動了‘核高基’等國家重大專項的重點攻關，國防科技大學是積極的參與者和核心研製隊伍之一。”李楠説，“我們有能力也有信心，與國內同行一起拼搏，不斷縮小與發達國家的差距，儘快趕上並超過他們。”

　　【延伸閱讀】

　　“天河一號”研製過程

　　“天河一號”是在國家863計劃重大項目“千萬億次高效能計算機系統”和天津市濱海新區的支持下，由國防科學技術大學研製。研製工作從2005年起步，按兩期工程實施。一期系統于2009年9月研製成功，峰值速度為每秒1206萬億次雙精度浮點運算（TFlops），持續速度為563.1TFlops（LINPACK實測值），是我國首臺千萬億次超級計算機系統，參加2009年11月世界超級計算機TOP 500排名，位列亞洲第一、世界第五。二期系統于2010年8月在國家超級計算天津中心升級完成，實現了從亞洲第一向世界第一的重大跨越，取得了我國自主研製超級計算機綜合技術水平進入世界領先行列的歷史性突破。

　　2010年11月全球超級計算機前十位（運算速度為持續速度）

　　1 中國天河一號（TH—1A），每秒2566萬億次

　　2 美國Cray Jaguar， 每秒1759萬億次

　　3 中國曙光星雲，每秒1271萬億次

　　4 日本NEC/HP TSUBAME，每秒1192萬億次

　　5 美國Cray Hopper，每秒1054萬億次

　　6 法國BULL Tera—100，每秒1050萬億次

　　7 美國IBM Roadrunner，每秒1042萬億次

　　8 美國Cray KrakenXT5，每秒831.7萬億次

　　9 美國IBM JUGENE，每秒825.5萬億次

　　10 美國Cray CieloXE6，每秒816.6萬億次

　　超級計算機

　　是指“當前時代運算速度最快的大容量大型計算機”。超級計算機的界定具有顯著的時代特徵，與當時的計算機技術和應用的發展水平緊密相關。以峰值速度指標為例，2000年前後，每秒萬億、十萬億次雙精度浮點運算是超級計算機的標誌，而在2009年前後，百萬億次以上已成為超級計算機的新標誌。當前，千萬億次已成為超級計算機的新高峰。

　　超級計算中心

　　目前世界上具有千萬億次計算能力的超級計算中心和國家級實驗室共有6家，其中美國3家（橡樹嶺國家實驗室、美國能源研究科學計算中心、洛斯阿拉莫斯國家實驗室）、中國1家（國家超級計算天津中心）、日本1家（東京技術研究所）、法國1家（法國原子能委員會）、德國1家（歐盟尤利西研究中心）。