天河一号计算机如何创造2570万亿次奇迹

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10月28日上午,中国高性能计算机TOP100组织发布2010年度前100强排行榜,由国防科学技术大学研制成功的我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河一号”,以峰值性能每秒4700万亿次、持续性能每秒2507万亿次的优异性能再登榜首,其峰值速度和持续速度、运算速度与运算能效双双刷新了当前世界超级计算机系统的运算速度最高纪录。

目前,“天河一号”已在位于天津市滨海新区的国家超级计算天津中心安装部署并投入使用,此举标志着我国建成首个具有千万亿次计算能力的超级计算中心。为此,记者采访了我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”工程办公室主任、研究员李楠。

记者:“天河一号”在亚洲和世界上处于什么位置?

李楠:去年11月,在国际超级计算机TOP500排行榜中,“天河一号”位居亚洲第一、世界第五。

“天河一号”是我们在长期技术积累和预先研究的基础上,承担国家“863”计划“千万亿次高效能计算机系统研制”重大项目攻关取得的标志性成果。研制工作从2005年起步,按预先研究、方案设计、工程研制和推广应用四个阶段依次实施。经过科技人员的不懈探索与奋力攻关,于2009年9月研制成功了峰值速度性能为每秒1206万亿次的我国首台千万亿次超级计算机系统,实现了我国自主研制超级计算机从百万亿次到千万亿次的跨越,我国从此成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。

记者:“天河一号”最大的创新点是什么?

李楠:我们在国际上首创了CPU(通用中央处理器)和GPU(通用图形处理器)相融合的高效并行计算体系结构。传统上,CPU是用来计算的,GPU 是用来进行图形和视频处理的,如果将GPU用来计算,不仅编程很难,而且计算效率也很低,但我们采用混合语言编程技术,通过自适应动态任务划分、流式数据存取、软件流水及亲和调度等技术,极大提高了GPU的计算效率,充分发挥CPU和GPU的协同计算能力,满足应用对计算资源的不同需求,最大限度提高计算效能。美国斯坦福大学计算机系主任、NVIDIA公司首席科学家比尔·戴利说:“中国的天河计算机采取的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。”

记者:“天河一号”对促进我国经济社会发展、提升综合国力有哪些作用?

李楠:超级计算机作为国家创新体系的重要基础设施,在科学研究和经济社会发展中不可或缺。“天河一号”的诞生,对提升综合国力具有重要战略意义,它能广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报、气候预测、海洋环境数值模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、土木工程设计、基础科学理论计算等方面,对促进我国经济社会发展、提升综合国力具有十分重要的作用。比如,原来设计一个飞机气动外形要花三五年,如果运用“天河一号”进行“数字风洞”辅助设计,几个月就可以完成。用“天河一号”数值模拟蛋白质、分子结构,可以快速研发生物医药,科学家可以在较短时间内从几十万甚至几百万种化学物中筛选出有效的药物化学物,不仅能节省购买实物化合物的大量资金,而且能大大缩短研制周期。借助“天河一号”,可以快速构建数字地质模型,探明地层中是否有石油,并能精确计算出储量,判断是否有开采价值。可以说,对解决我国经济、科技等领域的重大挑战性问题,以及大众生活息息相关的许多新课题,都需要超级计算机的帮助。

记者:据了解,承担“天河一号”研制任务的是一支很年轻的团队,他们有哪些可贵的创新品质?

李楠:直接参与“天河一号”研发的科技人员有200多人,平均年龄为36岁。高性能计算是年轻人的事业,年轻人思维敏捷、具有创新精神,能紧跟世界高技术的发展。还有很重要的一点是,我们这个团队在长期的科研攻关中,培育形成了“胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏”的银河精神,这种精神成为了一代代“银河人”勇攀世界科技高峰的不竭精神动力。在科研攻关中,科研人员没有休过一个完整的周末和节假日,机房每天都是灯火通明。遇到技术难题,大家团结协作,人人献计献策,以至有的设计思想、技术创新很难说是到底该属于谁,所有技术上的难点最后都变成了科研攻关中的珍贵创新点,所有这些都体现了一种非常可贵的团队精神。

记者:“天河一号”从研制成功到在国家超级计算中心安装并投入应用,你们仅用一年时间又创造了一个“中国速度”,奥秘何在?

李楠:“天河一号”之所以能在较短时间内研制成功,又能在一年的时间里完成安装部署并投入使用,其中一个重要原因,就是融入国家创新体系,走军民融合式发展自主创新之路,加快了科技创新的步伐和成果的推广应用。

2007年10月,党的十七大召开。胡锦涛同志在大会报告中提出:要更好发挥天津滨海新区在改革开放和自主创新中的重要作用。不久,国防科大领导率领我院专家到天津滨海新区考察,探讨开展科技合作事宜,双方一拍即合,签署了科技合作协议。2009年6月9日,国防科大与滨海新区正式签订共建国家超级计算天津中心的协议。“天河一号”研制成功后,我们迅速展开在天津滨海新区的安装部署,在双方共同努力下,今年8月,经过技术升级优化后的“天河一号”已安装部署并投入使用。“天河一号”从研制成功到快速推广应用,进一步彰显了军民融合式自主创新的巨大威力。

记者:请您展望一下未来超级计算机的发展。

李楠:“十二五”期间,超级计算机必将取得更大发展。目前,天津市已将超级计算应用推广工作纳入到了“十二五”发展规划,滨海新区将以应用需求为牵引,立足天津,面向全国,按照“高科技公共服务、信息产业发展、信息专业人才聚集培养”三位一体的思路建设国家超级计算天津中心,为提高国家科技创新能力、促进战略新型产业技术创新提供强大的高性能计算支撑。

说的更远一些,未来十年左右,也就是2020年前后,超级计算机将达到每秒百万万亿次(10的18次方),也就是目前千万亿次的1000倍。但要实现这个目标,目前的技术储备是做不到的,需要在一系列核心关键技术上有重大突破,比如说纳米级、微纳米级元器件、光器件的研制和投入实用。再往后展望,电子计算机时代终将会被终结,量子计算、光计算、生物计算都是可能的选择,其中量子计算有希望率先取得突破,人类在不久的将来可能会开启一个量子计算机的新时代。

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