研制超级计算机,大国你追我赶 来源:环球时报 更新时间: 2010-11-12
美国《纽约时报》前不久在头版显著位置刊登文章,称中国制造的超级计算机“天河一号A”可能会称霸“世界最快电脑500强”,这在世界范围内引起了很大震动。拥有世界运算速度最快的超级计算机不仅代表着一个国家的综合国力,它还可能使本国做一些其他国家不能进行的科学研究,更早发现科学规律和现象。也正因为如此,美国、日本和欧洲都在研制新型超级计算机,半年刷新一次的“世界最快电脑500强”榜单也在不断被改写。
超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器(机)组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。在包括信息安全、天气预报、核武器研制、工业设计等领域,超级计算能力更是直接关系到一国的创新能力和国家安全。
中国的“天河一号”具有高性能、高能效、更安全和易使用的特点。它一天的计算量,目前的主流微机需要不间断计算160年才能完成。它的存储量相当于4座藏书量达2700万册的国家图书馆之和,可以为全国13亿人每人存储1张高清晰照片。它的互联通信带宽高达每秒3200亿比特,相当于一秒钟下载5部高清电影,传完8万册每册25万字的图书。国家超级计算天津中心主任刘光明介绍说,目前“天河一号”已接到来自中海油、胜利油田、天津地区的生物医药研究机构以及一些中等规模企业的使用意向。
中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉研究员告诉《环球时报》记者,超级计算机的速度一向是国与国之间的战略竞争点,代表着一个国家的综合国力。如果中国拿了TOP500的第一名,意味着中国超级计算机在系统集成能力和研发能力等方面达到了世界领先水平。如果一个国家的超级计算速度处于世界领先水平,就有可能做一些别的国家所不能进行的科学研究,从而更早发现一些科学规律和现象,更早申请专利。超级计算被科学家称作人类探索自然的“第三只眼睛”。除了传统的理论和试验方法之外,高性能计算已成为第三种科学研究手段,也被称作“数值模拟”或“计算科学”。
例如在生物信息学中,对于基因的排序完全依赖超级计算机,通过计算速度的竞争来比拼谁的基因排序速度更快,排得更准确。速度越快,就越有可能更早发现基因的位点,抢先申请专利。而在寻找石油的地质勘探中,数据收集完成后需要通过超级计算进行迭前偏移分析,了解油藏的地层分布,为下一步的开发提供参考依据。因此,超级计算机的运算速度会严重影响石油勘探开发的进程。
张云泉研究员说,超级计算机主要的标准还是运算速度,但具体有多快,这一标准会随着计算机的发展,特别是处理器的发展而不断提高。2009年11月之前,美国“走鹃”以每秒1105万亿次的浮点运算速度,在超级计算机“王座”上坐稳了一年半的时间。此后美国橡树岭国家实验室的“美洲豹”计算机以峰值运算2331万亿次的性能,超过“走鹃”成为世界上最快的超级计算机。
中国“天河一号A”由国防科学技术大学研制,在超级计算机“天河一号”上对加速节点进行了扩充与升级,从而将理论运算能力提升至每秒4701万亿次,实测运算能力提升至每秒2507万亿次,一举超越“美洲豹”。“天河一号”工程办公室主任李楠介绍说,“天河一号”通过实现“CPU(通用中央处理器)+ GPU(通用图形处理器)”的异构协同计算,融合多种计算资源并对其灵活配置,最大限度提高了计算效能。美国斯坦福大学计算机系主任比尔・戴利承认:“中国天河计算机采取的CPU与GPU融合的结构,代表了未来高性能计算机的发展趋势。随着计算机规模的不断拓展,这种结构虽然不是唯一的解决方法,但目前看来是最好的。”
张云泉研究员表示,中国自主研发的超级计算机如果计算速度超过美国,这将使美国放松对华限制,降低出口价格。但他也强调,对中国的限制依然存在,比如一些专用的互联网络技术等,美国仍绝对不会出口给中国。尽管中国在超级计算机的研发上有了重大飞跃,但仍有一些领域亟待提高。目前中国研发的超级计算机采用部分国产CPU处理器,但仍以国外的CPU和GPGPU为主。此外,国产超级计算机上使用得较好的应用软件大部分仍然是国外的商业软件。
在科幻电影和小说中,经常会出现通过整合整个互联网的运算能力从而战胜超级计算机的情节。张云泉说,这属于现在流行的“云计算”和“网格计算”概念。但这类运算方式最主要的目标是提高资源的利用率,整合计算能力,背后最核心的内容还是需要通过超级计算机来提高计算能力、存储能力和处理能力,因此仍需要超级计算机的支撑。眼下还有一种新型的计算模式叫做“网络志愿者计算”,通过分发屏幕保护程序给不同的电脑终端,可以在电脑休息的时候,一边运行屏保,一边进行计算并把结果提交给特定的网站。张云泉认为,这一模式的计算能力应该要比超级计算更强大,但是两者擅长解决的问题并不相同,“网络志愿者计算”的模式中,每个电脑终端完成的都是独立的小任务,电脑间无需通信,而对于电脑终端间需要频繁通信和交换数据的计算就只有超级计算机才能完成,“网络志愿者计算”模式面临巨大的通信成本。
李楠认为,未来10年超级计算机将达到每秒百万万亿次。但要实现这个目标,目前的技术储备还做不到,这需要在一系列核心关键技术上有重大突破,例如要研制纳米级和微纳米级元器件、光器件。而这些突破的背后都需要国家整体科技的进步。