在第48屆全球超級電腦TOP500排行榜上， 國家超級計算無錫中心運營的“神威·太湖之光”超級電腦系統蟬聯冠軍， 高達93PFlops(9.3億億次浮點計算每秒)的性能也是無可匹敵， 相當於第二名天河二號的幾乎三倍、第三名美國Titan的幾乎六倍， 成為世界上首台運算速度超過十億億次的超級電腦。 此前， 由我國國防科學技術大學研製的“天河二號”已創下“六連冠”的輝煌戰績， 這也標誌著我國超級電腦研製能力已位居世界先進水準。 更令人振奮的是， 這套系統完全實現了包括處理器在內的所有核心部件全面國產化。
“神威·太湖之光”運算速度究竟有多快？它可以在哪些方面大顯身手？核心部件的國產化意味著什麼？國產超級電腦的推廣應用還需要在哪些方面不斷完善？神秘人帶您尋找答案。
1分鐘完成地球人32年計算
江蘇， 國家超級計算無錫中心。 “神威·太湖之光”的機身就安放在一間約1000平方米的房間內。 它由40個運算機櫃和8個網路機櫃組成， 每個運算機櫃比家用的雙門冰箱略大。 打開櫃門， 4塊由32塊運算外掛程式組成的超節點分佈其中；每個外掛程式由4個運算節點板組成， 一個運算節點板又含2塊“申威26010”高性能處理器。
這樣一個“龐然大物”的運行速度究竟有多快？國際超算大會上傳來的資料顯示， “神威·太湖之光”系統的峰值性能為12.5億億次/秒， 世界第一；持續性能為9.3億億次/秒， 還是世界第一。
“簡單來說， 這套系統1分鐘的計算能力， 相當於全球72億人同時用計算器不間斷計算32年；如果用2016年生產的主流筆記型電腦或個人桌上型電腦作參照， ‘太湖之光’相當於200多萬台普通電腦。 ”對此， 國家超級計算無錫中心主任楊廣文作了一個形象的比較。
“每一塊處理器相當於20多台常用筆記型電腦的計算能力， 4萬多塊再組裝到一起， 速度之快可想而知。 ”
據瞭解， 在全球超級電腦500強榜單上，
超級電腦500強排名發起人傑克·唐加拉表示， 相比10年前中國只有28台超級電腦進入世界500強榜單並且名列30名以外， “在超級電腦歷史上， 中國進步的速度和廣度前所未有。 除了美國的領先地位被打破， 中國的整體陣容也大大超越了其他國家。 ”
榜單上的成績證明了唐加拉的看法。 因為不僅排在前兩名的電腦屬於中國， 整個500強榜單裡中國入榜的超級電腦數量達到167台，
事實上， 中國在1958年才剛剛開始在超級電腦領域的探索。 從首台數位電子電腦——103機到1983年成功研製“銀河”系列超級電腦， 再到曙光系列、神威超級電腦， 中國在這一領域的發展越來越快， 成果越來越多。
預測天氣檢查身體更加準確
超級電腦為何需要拼速度？計算快能夠帶來更好的應用嗎？
針對這一問題， 中山大學資料科學與電腦學院院長錢德沛表示， 電腦速度越快， 性能越好， 那麼在應用過程中精准度就會越高， 提升了檢測和預判的準確性。
比如在預測天氣方面， 近年來準確度的提升就離不開超級電腦的功勞。 北京師範大學全球變化與地球系統科學研究院王蘭甯教授表示， 下不下雨關鍵看雲層運動，在沒有超算之前，觀測雲層的精度是按照經緯度。有了超算之後，就可對雲層運動進行精確模擬與觀測。
2011年，他在天津的“天河一號”上實現了觀測精度10萬公里的目標；隨後，他又在“神威藍光”實現了1萬公里精度；今年，他在“神威·太湖之光”上實現了9公里精度。如今，他又在向著3公里精度努力。
更值得一提的是，“神威·太湖之光”系統可以在30天內完成未來100年的地球氣候模擬，這在之前是不可想像的。有專家表示，以往過去2到3小時才能發出的海嘯預警，現在最快十幾分鐘就可以完成。
除了預測天氣，還有更多接地氣的事情倚仗超級電腦來解決。
建一棟樓對周邊的環境到底有什麼影響？如何建設風道便於污染物擴散？中科院深圳先進技術研究院正在國家超算無錫中心進行的一項課題，就是深圳市污染物擴散的模擬。通過超算類比，可以根據目前污染物的情況，計算出未來一段時間的大氣污染物濃度和分佈，進行空氣品質預報。
“現在已經可以實現倒推排查究竟是哪個排放點導致了某次大氣污染，未來將能夠實現每個社區、每個居民點空氣品質的準確預報。”中科院深圳先進技術研究院副研究員陳榮亮說。
而在醫療方面，超級電腦能夠通過掃描真人的血管系統，運用3D建模技術建立動脈系統模型，成功地再現整個人體的動脈系統。陳榮亮近日便用“神威·太湖之光”對人體血流進行了模擬與分析。
“過去，對一個可能發生腦梗塞的病人，醫院難以判斷是否要進行支架手術，一般都會通過從大腿動脈處放進測壓導絲進行測量，這種方式既危險又痛苦。如今，經過類比計算，只要血流儲備分數小於0.8，就要做手術。”陳榮亮說。
此外，錢德沛表示，不論是在石油勘探、生物資訊、新藥創新、材料化工，還是環境科學、船舶工程、航空航太設計、傳統製造業改造等方面，超級電腦都可以發揮作用。
從技術受制於人到自立自強
與此前“天河二號”使用的是英特爾至強處理器和Xeon Phi輔助處理器不同，“神威·太湖之光”首次使用的是“中國芯”。這塊“中國芯”就是5釐米見方的薄塊“申威26010”，它集成了260個運算核心，數十億電晶體，達到了每秒3萬多億次計算能力；單晶片計算能力相當於3台2000年全球排名第一的超級電腦。
“如果沒有堅持完全自主生態，沒有‘搞十幾年不行，再搞十幾年’的勁頭，不可能有今天核心指標齊頭並進的神威。”國家平行電腦工程技術研究中心副主任梁軍說。
許多超級電腦領域的中國專家都難以忘記這樣一段屈辱的歷史：30年前，中國的超級電腦使用者有一個神秘的“玻璃房”——美國人把一台超級電腦賣給中國，用不透明的玻璃包裹得嚴嚴實實，中國技術人員沒有授權不得入內。
王蘭甯教授至今記得這個中國土地上的“技術飛地”。“全國只有幾個有授權的科學家能夠進入玻璃房，而且是在美國人的監視下。一旦程式運行完，機器立即被鎖回玻璃房。那個所謂的超算速度，在今天看來充其量是一台高性能電腦，但對於當時的中國來說，卻是一個難以企及的高峰。”
上世紀80年代，我國已逐步邁入獨立設計和製造巨型機的國家之列，但卻因核心處理器等關鍵部件與技術的短板只能受制於人，直接導致了我國雖是國外超級電腦“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價權”。2015年4月，美國政府更是宣佈，把與超級電腦相關的4家中國機構列入限制出口名單。
如今，“中國芯”“申威26010”成了我國自主研發打破30年技術封鎖的一柄利器。
普及應用還需完善配套措施“雖然中國在處理器的研製上取得了突破，但我們並非掌握了所有核心技術，依然任重道遠。”談及中國超級電腦發展的未來時，錢德沛這樣認為，目前與“中國芯”的超級電腦配套的其他硬體及軟體系統國產化程度還需提升，這對將來的推廣應用有很大影響。
國家平行計算中心的相關科研人員表示，雖然中國的超級電腦發展取得了很大成果，但其中需要解決的技術關鍵環節非常多，以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達到15兆瓦時，相當於3個清華大學的用電量。以現有技術即使能夠實現百億億次，其能源消耗恐怕也承受不起。
關於應用方面的問題，中科院電腦網路資訊中心研究員張鑒表示，我國利用超算系統解決問題的能力長期不足，相關商業應用軟體仍為國外壟斷，在軟體研製、應用開發和人才培養方面還有待進一步提高。將“制好”優勢轉化為“用好”優勢，才能真正實現對產業創新與升級的帶動。
據統計，國內超級電腦研發經費中用於開發應用軟體的尚不足10%，而在美國占比多達30%以上。超級電腦未能充分投入商用，將造成巨大的資源浪費。2014年4月“天河二號”試運行對外開放期間，只有120家企業和研究機構選擇試用，許多商用飛機公司寧可使用陳舊過時的計算平臺也不願意採納新技術。
“事實上對企業來說，運用超級電腦解決問題是一種更‘省錢’的辦法，而不是增加成本的方式。”錢德沛告訴記者，相比于用超級電腦建立類比系統、運用資料分析，建造普通實驗室、實體裝備來做檢測的花費要更高。但因為當下許多企業缺少懂超級電腦技術的人才，也沒有開發與之相匹配的軟體，因而在原本“事半功倍”的新設備、新技術面前望而卻步。
“應用是超級計算的核心牽引，所有硬體和軟體的發展目的都是為了解決應用中的問題。”國家超算無錫中心副主任付昊桓表示，下一步，他們將圍繞“神威·太湖之光”進一步移植優化相關軟體，使其發揮更大效用。
“未來這台超級電腦將在4個方向發揮作用：首先是全球高解析度模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎；其次是先進製造，強大的電腦將助力“中國製造”轉向“中國創造”；第三個方向是生命科學，為研發新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個方向是大資料分析。應用需求和演算法的發展將不斷推動超級電腦跑得更快、更強。”
據無錫超算中心當家人楊廣文主任介紹,“太湖之光”還有可能會應用于代表未來“黑科技”發展方向的研究領域,比如“人造小太陽”,也就是核聚變發電的相關理論與實驗方面的模擬。
下不下雨關鍵看雲層運動，在沒有超算之前，觀測雲層的精度是按照經緯度。有了超算之後，就可對雲層運動進行精確模擬與觀測。2011年，他在天津的“天河一號”上實現了觀測精度10萬公里的目標；隨後，他又在“神威藍光”實現了1萬公里精度；今年，他在“神威·太湖之光”上實現了9公里精度。如今，他又在向著3公里精度努力。
更值得一提的是，“神威·太湖之光”系統可以在30天內完成未來100年的地球氣候模擬，這在之前是不可想像的。有專家表示，以往過去2到3小時才能發出的海嘯預警，現在最快十幾分鐘就可以完成。
除了預測天氣，還有更多接地氣的事情倚仗超級電腦來解決。
建一棟樓對周邊的環境到底有什麼影響？如何建設風道便於污染物擴散？中科院深圳先進技術研究院正在國家超算無錫中心進行的一項課題，就是深圳市污染物擴散的模擬。通過超算類比，可以根據目前污染物的情況，計算出未來一段時間的大氣污染物濃度和分佈，進行空氣品質預報。
“現在已經可以實現倒推排查究竟是哪個排放點導致了某次大氣污染，未來將能夠實現每個社區、每個居民點空氣品質的準確預報。”中科院深圳先進技術研究院副研究員陳榮亮說。
而在醫療方面，超級電腦能夠通過掃描真人的血管系統，運用3D建模技術建立動脈系統模型，成功地再現整個人體的動脈系統。陳榮亮近日便用“神威·太湖之光”對人體血流進行了模擬與分析。
“過去，對一個可能發生腦梗塞的病人，醫院難以判斷是否要進行支架手術，一般都會通過從大腿動脈處放進測壓導絲進行測量，這種方式既危險又痛苦。如今，經過類比計算，只要血流儲備分數小於0.8，就要做手術。”陳榮亮說。
此外，錢德沛表示，不論是在石油勘探、生物資訊、新藥創新、材料化工，還是環境科學、船舶工程、航空航太設計、傳統製造業改造等方面，超級電腦都可以發揮作用。
從技術受制於人到自立自強
與此前“天河二號”使用的是英特爾至強處理器和Xeon Phi輔助處理器不同，“神威·太湖之光”首次使用的是“中國芯”。這塊“中國芯”就是5釐米見方的薄塊“申威26010”，它集成了260個運算核心，數十億電晶體，達到了每秒3萬多億次計算能力；單晶片計算能力相當於3台2000年全球排名第一的超級電腦。
“如果沒有堅持完全自主生態，沒有‘搞十幾年不行，再搞十幾年’的勁頭，不可能有今天核心指標齊頭並進的神威。”國家平行電腦工程技術研究中心副主任梁軍說。
許多超級電腦領域的中國專家都難以忘記這樣一段屈辱的歷史：30年前，中國的超級電腦使用者有一個神秘的“玻璃房”——美國人把一台超級電腦賣給中國，用不透明的玻璃包裹得嚴嚴實實，中國技術人員沒有授權不得入內。
王蘭甯教授至今記得這個中國土地上的“技術飛地”。“全國只有幾個有授權的科學家能夠進入玻璃房，而且是在美國人的監視下。一旦程式運行完，機器立即被鎖回玻璃房。那個所謂的超算速度，在今天看來充其量是一台高性能電腦，但對於當時的中國來說，卻是一個難以企及的高峰。”
上世紀80年代，我國已逐步邁入獨立設計和製造巨型機的國家之列，但卻因核心處理器等關鍵部件與技術的短板只能受制於人，直接導致了我國雖是國外超級電腦“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價權”。2015年4月，美國政府更是宣佈，把與超級電腦相關的4家中國機構列入限制出口名單。
如今，“中國芯”“申威26010”成了我國自主研發打破30年技術封鎖的一柄利器。
普及應用還需完善配套措施“雖然中國在處理器的研製上取得了突破，但我們並非掌握了所有核心技術，依然任重道遠。”談及中國超級電腦發展的未來時，錢德沛這樣認為，目前與“中國芯”的超級電腦配套的其他硬體及軟體系統國產化程度還需提升，這對將來的推廣應用有很大影響。
國家平行計算中心的相關科研人員表示，雖然中國的超級電腦發展取得了很大成果，但其中需要解決的技術關鍵環節非常多，以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達到15兆瓦時，相當於3個清華大學的用電量。以現有技術即使能夠實現百億億次，其能源消耗恐怕也承受不起。
關於應用方面的問題，中科院電腦網路資訊中心研究員張鑒表示，我國利用超算系統解決問題的能力長期不足，相關商業應用軟體仍為國外壟斷，在軟體研製、應用開發和人才培養方面還有待進一步提高。將“制好”優勢轉化為“用好”優勢，才能真正實現對產業創新與升級的帶動。
據統計，國內超級電腦研發經費中用於開發應用軟體的尚不足10%，而在美國占比多達30%以上。超級電腦未能充分投入商用，將造成巨大的資源浪費。2014年4月“天河二號”試運行對外開放期間，只有120家企業和研究機構選擇試用，許多商用飛機公司寧可使用陳舊過時的計算平臺也不願意採納新技術。
“事實上對企業來說，運用超級電腦解決問題是一種更‘省錢’的辦法，而不是增加成本的方式。”錢德沛告訴記者，相比于用超級電腦建立類比系統、運用資料分析，建造普通實驗室、實體裝備來做檢測的花費要更高。但因為當下許多企業缺少懂超級電腦技術的人才，也沒有開發與之相匹配的軟體，因而在原本“事半功倍”的新設備、新技術面前望而卻步。
“應用是超級計算的核心牽引，所有硬體和軟體的發展目的都是為了解決應用中的問題。”國家超算無錫中心副主任付昊桓表示，下一步，他們將圍繞“神威·太湖之光”進一步移植優化相關軟體，使其發揮更大效用。
“未來這台超級電腦將在4個方向發揮作用：首先是全球高解析度模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎；其次是先進製造，強大的電腦將助力“中國製造”轉向“中國創造”；第三個方向是生命科學，為研發新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個方向是大資料分析。應用需求和演算法的發展將不斷推動超級電腦跑得更快、更強。”
據無錫超算中心當家人楊廣文主任介紹,“太湖之光”還有可能會應用于代表未來“黑科技”發展方向的研究領域,比如“人造小太陽”,也就是核聚變發電的相關理論與實驗方面的模擬。