“天河一号”是怎样跃居世界第一的

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导读:超级计算2010国际会议上,传出一个让世人震惊的消息:中国国防科学技术大学研制的“天河一号”二期系统,在国际TOP500组织正式发布的第36届世界超级计算机500强排行榜上,首次取代美国“美洲虎”超级计算机系统,排名位居世界第一。 中国,这个有着“算盘王国”之称的国度,因为“天河一号”神奇的运算速度,首次站到了国际超级计算机世界之巅。总设计师杨学军教授告诉记者:“我们做了一件让自己满意的事,做了一件让中国人扬眉吐气的事!” “算盘王国”再创历史神话 走进位于天津市滨海新区的

超级计算2010国际会议上,传出一个让世人震惊的消息:中国国防科学技术大学研制的“天河一号”二期系统,在国际TOP500组织正式发布的第36届世界超级计算机500强排行榜上,首次取代美国“美洲虎”超级计算机系统,排名位居世界第一。


中国,这个有着“算盘王国”之称的国度,因为“天河一号”神奇的运算速度,首次站到了国际超级计算机世界之巅。总设计师杨学军教授告诉记者:“我们做了一件让自己满意的事,做了一件让中国人扬眉吐气的事!”


“算盘王国”再创历史神话


走进位于天津市滨海新区的国家超级计算天津中心,由140个机柜组成的“天河一号”二期系统,排列成十三行,犹如列队受阅的方队,气势如虹。正在高速运算的轻微蜂鸣声,仿佛在为中国唱着凯歌……


自从1946年世界第一台计算机诞生以来,中国第一次拥有这份殊荣。这是一个历史性的突破。


这一激动人心的时刻来之不易:从实现巨型机“零”的突破,到“天河一号”位居世界第一,国防科技大学的科研人员在高性能计算领域整整为之奋斗了32年。


当今世界,高性能计算已成为理论和试验之外的第三种科学研究手段,超级计算机的发展水平是一个国家科技创新能力和综合国力的重要标志,已成为世界各国特别是西方大国争夺的战略制高点。去年6月,“天河一号”诞生前,在国际超级计算机TOP500发布的世界超级计算机500强排名中,前10强为清一色的美国产品。


“国际计算机领域竞争激烈,要占领制高点,必须尽快拿出我们自己的千万亿次计算机。”“天河一号”总设计师、国防科技大学副校长杨学军教授向记者介绍时说。


为此,他们根据国际高性能计算发展趋势与最新动态,将国际上公认的主要技术难题作为创新的突破口,针对高性能计算机发展的前沿技术、关键技术和新兴交叉技术等方面开展基础研究和前沿探索,相继突破一系列技术难题,从而为研制更高性能的超级计算机奠定了技术基础。


2007年11月,美国IBM公司研制成功峰值速度为每秒1456万亿次的“走鹃”超级计算机系统,把世界超级计算机的速度从百万亿次带入了千万亿次时代。此时,国防科大计算机学院也完成了千万亿次超级计算机系统的关键技术攻关。


2007年,我国将发展千万亿次超级计算机系统列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》,国防科技大学获得了国家“863”计划重点课题的支持。


2009年10月,我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河一号”在国防科大横空出世,比预计时间提前了一年。


“天河一号”在去年11月世界超级计算机500强排名中,位居亚洲第一、世界第五。在10强中,“天河一号”是唯一的非美国产品。


对此,国际TOP500组织创始人汉斯·摩尔(Hans Meuer)用“令人惊奇”做出了他的评价。然而,汉斯·摩尔也许还没有想到,仅仅一年之后,经过技术升级和系统优化后的“天河一号”二期系统,凭借优越的性能获得世界第一的金牌。


在这次发布的世界超级计算机500强排名榜中,中国占41席,总体占有量为8.2%,比一年前上升了近一倍。在前10强中,中国占有2席,“天河一号”排名第一。


国际上超级计算机发展竞争犹如科技领域的奥运会,虽然不设赛场,不升国旗,不奏国歌,但它是一个国家科技创新能力的竞争,综合国力的体现,其金牌的含金量更高、分量更重。


“天河一号”排名世界第一,打破了美国在超级计算机领域一家独大的局面,标志着我国自主研制超级计算机综合技术水平跨入世界领先行列,更重要的是显示我国信息领域的科技创新能力和综合实力。

“中国速度”让世界惊奇


峰值速度4700万亿次、持续速度2566万亿次每秒浮点运算。如果做一个换算:“天河一号”运算1小时,相当于全国13亿人同时计算340年,如果是1台双核的高档桌面电脑,也要运算26年。这是当今世界最快的速度,这是世界第一的速度,这是中国速度。


“算盘王国”创造的这一神奇的运算速度,代表着当今超级计算机的顶尖水平,引领超级计算机的发展方向。


曾几何时,我国由于没有高性能的计算机,勘探的石油矿藏数据和资料不得不用飞机送到国外去处理,不仅费用昂贵,而且受制于人。


1978年,中国迎来了“科学的春天”,在中央召开的一次重要会议上,邓小平同志代表党中央、国务院将研制巨型计算机的任务,交给了国防科学技术大学。小平同志的话掷地有声:“中国要搞四个现代化,不能没有巨型机!”


改革开放之初,我国技术落后,西方国家对我国实行技术封锁,以慈云桂教授为代表的一大批科技人员怀着为国“争口气”的雄心壮志艰难起步,走自主创新之路,创造性地为我国第一台巨型机设计出“双向量阵列”的巧妙结构,中国用5年时间完成了研制任务。


1983年11月,我国首台命名为“银河”的亿次巨型计算机在国防科学技术大学诞生,中国成为继美、日之后,能独立设计和制造巨型机的国家。此后,他们自主创新,相继研制出“银河—Ⅱ”、“银河—III”等一系列巨型机。


然而,随着高性能计算机领域的竞争越来越激烈,面临的技术难题也日益突出,计算能力的每一次跨越都十分艰难。


2005年,国产超级计算机才刚刚突破10万亿次,国防科技大学计算机学院的科研人员就吹响了攻克千万亿次超级计算机系统的集结号,决心抢占新的战略制高点。


2007年盛夏,第34届“国际计算机体系结构年会”上,杨学军教授一篇题为《64位流处理器体系结构研究》的论文,引起与会者的高度关注——采用“异构协同计算技术”来设计千万亿次超级计算机系统。


作为突破千万次超级计算机系统取得的一项理论研究成果,这一全新的异构协同计算技术经过实验验证,应用到“天河一号”的工程研制中,他们在国际上首创了CPU和GPU相结合的异构融合计算体系结构。科研人员采用混合语言编程技术,通过融合多种计算资源并对其灵活配置,深入挖掘GPU的并行计算潜力,实现了高效异构协同运算,极大地提高了“天河一号”的计算效能。


去年9月,“天河一号”一期系统——我国首台千万亿次超级计算机系统研制成功,令国际同行专家感到震惊。美国斯坦福大学计算机系主任比尔·戴利教授评价说:“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。”


凭着自主创新掌握的核心关键技术与深厚的工程经验积累,科研人员在短短一年时间里,完成了“天河一号”的重大技术升级与综合优化,将“天河一号”的峰值速度提高了2.89倍,持续速度更是提高了3.55倍。


资料显示:美国从20世纪90年“银河精神”永远的高地


在世界超级计算机技术领域激烈角逐中,中国由落后到跨入领先者位置,这背后是“中国设计”、“中国创造”提升了核心竞争力。


“天河一号”好比一个巨型机器人,从一期系统升级为二期系统,科研人员突破了一系列核心关键技术,使中国的超级计算机有了自己的心脏,以及强健的骨骼、智慧的大脑……


“天河一号”工程办公室主任李楠介绍说,“在升级后的系统中,采用了中国自主研制的高速互连芯片,芯片性能是目前国际商用产品的两倍以上,使得CPU之间的通信速度得到大幅提升;中央处理器也首次部分采用了我们自主研制的‘飞腾-1000’芯片。”


“在‘天河一号’的研制过程中,我们坚持走自主创新之路,努力突破核心元器件技术瓶颈,极大增强了自主创新能力。”廖湘科教授说。


据介绍,他们早在1999年就前瞻性地开始进行微电子学科建设与微处理器技术研究,5年后,成立了全军唯一的微电子与微处理器研究所,专门从事超级计算机配套芯片、嵌入式芯片和微处理器的研制生产。


为了突破核心关键技术瓶颈,科研人员把自己封闭起来潜心攻关,硬是凭着一种“不破楼兰终不还”的决心和勇气,突破了多核多线程系统架构技术,自主研制了64位8核“飞腾-1000”通用CPU;解决了超级计算机CPU间高速高效互联通信的世界难题,研制成功高阶互连交换芯片、高性能互连接口芯片。此外,还研制成功4类结点机、2套网络、15种印制电路板,以及操作系统、编译系统、并行程序开发环境与科学计算可视化系统。从而在异构融合体系结构、基于高阶路由的高速互联通信等方面达到了国际领先水平。


从“银河”到“天河”,“天河”创新团队为之付出了多少艰辛?


这是一支年轻的队伍。“天河”团队平均年龄只有32岁,博士占60%以上,在总师组中,有两位副总师才刚30出头,在一线攻坚克难的都是30岁左右的年轻人。


这是一群视国家荣誉高于一切的人。有一位副总设计师,患有糖尿病等多种疾病,在二期硬件系统安装调试期间,他在中心机房整整坚守了半年时间,起五更爬半夜,生活、饮食不规律,导致病情不断加重,但他一直没有离开工作岗位,直至从美国传来“天河一号”名列榜首的消息,他才走出机房,住进医院。


这是一群牢记国家使命、最能牺牲奉献的人。二期系统铺设光纤电缆,正值盛夏,地沟温度高达45℃。为了不使物理性脆弱的光缆损伤,他们赤身裸背钻进地沟里,让光缆从自己身上传送,整整一个月,15000根光纤电缆毫发未损,而他们却个个遍体鳞伤。


这是一群最能钻研攻关的人。二期系统升级优化,为实现最高性能,他们“闭关”在机房里长达半年之久,什么节假日全都“拜拜”了。一个小伙子做了手术,不能站立也不能久坐,就跪着趴着干活;新郎突然接到任务,让新娘独自一个人在家举行婚礼;一位年轻的硕士生,因长期在嘈杂环境中熬夜,头发一把把地掉也全然不顾,一心扑在工作上。


“胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏”的银河精神,是“天河”团队永远的精神高地。中国有这样的团队,还有什么奇迹不能创造?!


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●世界上有哪些超级计算机中心


目前,世界上具有千万亿次计算能力的超级计算中心和国家级实验室共有7家,分别为美国的橡树岭国家实验室、美国能源研究科学计算中心、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、中国国家超级计算天津中心(简称天津中心)、日本东京工业大学、法国原子能委员会和德国尤利西研究中心。目前,天津中心的计算能力已达到世界领先水平。


●中国有哪些超级计算机中心


我国科技部正式批准建立的国家超级计算中心已有3家,分别是天津中心、深圳中心和长沙中心,其中天津中心已经建成,其余正在筹建中。地方级的超级计算中心大大小小若干家,其中有代表性的是上海超级计算中心,计算能力达到200万亿次,已有10年运行周期。


代开始研制千万亿次超级计算机,2007年11月研制成功,用了17年。中国研制“天河一号”千万亿次超级计算机一期系统,只用了4年。“天河一号”二期系统的技术升级和系统优化,仅用了一年时间。



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