計算機專家全方位揭秘“天河一號”

    新華社長沙10月29日電（記者 白瑞雪 喻菲 王玉山）中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生之際，計算機專家對這臺全方位的結構、特點與功能進行了全方位解讀。

    10月29日，國防科技大學成功研製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。我國成為繼美國之後世界上第二個能夠研製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“天河一號”千萬億次超級計算機系統。 新華社發（何書遠 攝）

    千萬億次是一個質的變化

    隨著“天河一號”研製成功，中國高性能計算機的峰值性能提升到了每秒1206萬億次。這個數字意味著，“天河一號”計算一天，一台配置Intel雙核CPU、主頻為2.5GHz的微機需要計算160年。就共享存儲總容量而言，“天河一號”的存儲量相當於4個藏書量為2700萬冊的國家圖書館。

    在超級計算機不斷提高運算速度的過程中，千萬億次是一個難以逾越的“瓶頸”。

    美國早在上個世紀90年代就提出了做千萬億次巨型計算機的目標，直到2007年才實現。截至2009年6月，世界上僅有3台千萬億次的計算機。

    “國際計算機界認為，從百萬億次提升到千萬億次是一個質的變化，不可能通過單純擴大規模來實現，而是需要體系結構上的改變。”國防科技大學教授竇文華説，“天河一號”採用了全新的多陣列可配置協同並行的體系結構，從而實現了系統性能的提升。竇文華認為，這種體系結構具備構建下一個量級即萬萬億次計算機的能力，將會成為下一代高新計算機的主流結構。

    “某些領域的現實需求，已經超出了目前巨型機的能力。”竇文華説，氣候預報、環境控制、飛行器設計、系統生物學等領域都需要千萬億次甚至更高性能的計算機。因此，“天河一號”投入使用後，必將推動科學研究的速度。

    七大技術四大特點

    一台千萬億次的“天河一號”，是否等於10個百萬億次巨型機之和？中國科學院院士周興銘説，系統的效能絕不是各單元計算效能的簡單疊加。

    “如果用高性能微處理器直接堆出一個千萬億次的系統，功率會大得驚人，用戶可能連電費都付不起，同時機器的可靠性很低，根本無法穩定工作。表面上看‘幹活’的器件多了，結果卻是‘三個和尚沒水吃’。”周興銘説，“天河一號”採用7項關鍵技術，使得“一加一”的結果儘量接近“二”，從而發揮出機器最大的整體效能。

    這7項技術包括：多陣列可配置協同並行體系結構、高速率擴展互聯通信技術、高效異構協同計算技術、基於隔離的安全控制技術、虛擬化的網絡計算支撐技術、多層次的大規模系統容錯技術和系統能耗綜合控制技術。

    周興銘介紹説，這台電腦具有四大特點：

    ——高性能。無論是1206萬億次的峰值性能，還是563.1萬億次的Linpack實測性能，均位於國內榜首、世界一流。

    ——低能耗。能耗是每瓦電創造的計算效能，“天河一號”目前能效為每瓦4.3億次運算，與2009年6月公佈的Top500（全球超級計算機前500強）排名第一的美國“走鵑”（Roadrunner）相當。參照2009年6月公佈的Green500（全球綠色超級計算機前500強）排名，“天河一號”可以位居第5。

    ——高安全。“天河”實現了不同用戶間數據和工作信息的相互隔離。對用戶來説，相當於到銀行租個保險櫃，鑰匙掌握自己手裏。

    ——易使用。“傻瓜化”的操作界面和菜單、鼠標等常規操作，讓機器的使用變得簡單。同時，作為一台國際通用的標準化的超級計算機，“天河”上能運行來自各行業的各種程序，不存在兼容性問題。

   這是科研人員在調試“天河一號”超級計算機系統硬體。新華社發（何書遠 攝）

    公共服務設施承載三大功能

    “天河一號”將於2009年底至2010年在天津市濱海新區落戶，成為國家超級計算天津中心的業務主機，面向國內外提供超級計算服務。

    “天河”工程辦公室主任李楠説，“天河一號”在投入使用後將實現三大功能。

    第一，作為提供超級計算服務的全球公共科研設施，“天河”向國內外用戶開放。無論身在何處，用戶都可以通過國際互聯網使用“天河”進行科學計算。

    第二，作為産業帶動平臺，“天河”上集中的當今時代最先進的信息技術將逐步轉移到其他産業，從而解決國家與社會發展中的各種問題。

    第三，作為吸引人才的平臺，“天河”將進一步匯聚來自世界各地的尖端技術人才，對國民經濟和世界科技的可持續發展作出更多貢獻。

    李楠説，“天河”將用於石油勘探數據處理、生物醫藥研究、航空航天裝備研製、資源勘探和衛星遙感數據處理、金融工程數據分析、環渤海生態動力和污染數值模擬、基礎科學理論計算等方面。

    能代替人腦嗎？

    “計算機無法代替人腦。”國防科技大學教授李思昆説，人腦與計算機的一個根本區別在於，人能夠發現規律，而計算機只能根據人發現的規律和設計的方法進行計算。

    李思昆説，超級計算機之所以能與人對弈，就是因為人們把下棋的規律轉化成了可以計算的模型。

    “辯證法認為，世界是有規律的。但還有很多問題比如愛情，人類尚未發現其中的規律，而已經發現的規律中也有可計算的和不可計算的。換句話説，只要人類能夠發現規律、並且找到方法把規律變成可計算的問題從而建立起物理和數學模型，計算機就能夠替代人類在這些問題中的勞動。”李思昆説。

    人腦的奇妙性，讓科學計算與世界無限未知的哲學命題緊密相連。

    僅就代數計算而言的話，“天河一號”一秒鐘能進行1206萬億次計算，人卻只能進行大約一次運算。然而，記住對方的長相這樣一個人在瞬間就能完成的圖像識別工作，計算機卻要經歷一個極其複雜的並行計算過程。

    “今天看來不可計算的規律，在未來某天也許能夠進行計算。但人類又會不斷發現更多未知的領域和更多不可計算的規律。”李思昆説。

    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。 新華社發（何書遠 攝）

    “天河一號”離老百姓生活有多遠？

    新華社長沙10月29日電（記者 王玉山 白瑞雪 喻菲）與已經進入尋常百姓家的個人電腦相比，這些運算速度動輒以萬億、十萬億、百萬億和千萬億次來計算的超級計算機，和老百姓的日常生活有什麼關係？

    “超級計算機似乎只和科學研究聯絡在一起。但事實上，在和大眾生活息息相關的各個領域，我們都可以看到超級計算機的身影。”中國科學院院士周興銘説。

    “看得見”

    很多人並不知道，人們習以為常的種種生活方式，都有超級計算機的參與。

    ——網絡服務。在網絡日益普及的今天，面對數千萬、數億用戶的訪問請求，服務器必須有強大的數據吞吐和處理能力。高性能服務器每秒鐘可以處理數千萬乃至數億次服務請求，及時提供用戶所需要的信息和服務，保證服務質量。

    ——天氣預報。目前世界最高水平可預報8天，我國為5至6天。但對於中長期預報特別是氣候預報來説，目前世界上的超級計算機仍然是無法滿足需求的，世界上一個公認的説法是，天氣預報時效每增加一天，氣象和計算機界需要努力10年。

    ——生物制藥。使用超級計算機，以計算機模擬的手段，科學家可以在較短的時間內從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物，不僅節省了購買真實化合物的大量資金，而且大大縮短了藥物研發的週期。

    “離不開”

    周興銘説，各種尖端的科學技術問題，都需要超級計算機的支撐，國民經濟中很多重要的産業也都已經離不開高性能計算機。

    我國第一個用上超級計算機的行業是石油勘探，上世紀80年代開始使用“銀河”系列計算機。怎麼把地下的石油盡可能多地採出來，需要靠超級計算機；汽車安全性的碰撞實驗，基本上都要用超級計算機進行先期模擬；集成電路設計，如何在一平方厘米大小的芯片上把幾億個、幾十億個晶體管連接成需要的電路、需要的性能，也要靠超級計算機幫助設計……

    “高性能計算機可以稱作一個國家的基礎設施。它本身代表著一個國家的高技術能力，同時也為今後其它領域高新技術的發展開創了一個更廣闊的空間。”周興銘説。

    據“天河一號”工程辦公室主任李楠介紹，上個世紀末期，西方發達國家的汽車、建築、金融、動漫等行業已經開始普及巨型機。

    李楠舉例説，波音飛機的外形設計過去一個型號要在風洞做3年的實驗，現在運用超級計算機後，設計週期縮短到了6個月。金融産品投資運用超級計算機計算是否盈利，能精確到幾分幾秒出手。李楠説，近幾年，超級計算機在中國的應用迎來了一個高峰期。