“天河二号”操作系统实现中国创造 已提前服务

　　核心阅读

　　□ 运算速度33.86千万亿次/每秒，是排名第二美国“泰坦”的2倍，体积小了15%

　　□ 自主研发新型异构多态体系结构，铸起“中国筋骨”，引领超级计算机的发展方向

　　□ 2015年将研制出十亿亿次超级计算机，2020年前后研制出百亿亿次计算机

　　6月17日，在长沙国防科技大学“天河”大楼，记者见到了刚刚登顶世界超级计算机500强排行榜的天河二号：170个外形如大冰箱的黑色机柜，占地面积720平方米，气势恢宏。机柜表面闪烁着蓝色荧光，向来访者昭示着“超算王国”的神秘之处。

　　“超级计算机是世界高技术领域的战略制高点，是一个国家科技竞争力和综合国力的重要标志。”天河二号工程总指挥、总设计师廖湘科研究员说。

　　有多快？

　　运算1小时相当于13亿人同时计算1000年，耗电量只有前代的1/3

　　“打个比方，天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年，其存储总容量相当于可存储每册10万字的图书600亿册。”在机房，天河二号副总设计师胡庆丰研究院介绍。

　　另一个更为生动的例子则是电影《阿凡达》。当时《阿凡达》的动漫渲染制作动用了众多超级计算机资源、耗时一年多才完成，而如果用天河二号，1个月足矣。

　　天河二号内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，天河二号每秒33.86千万亿次的计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相当。与此前研制的天河一号相比，天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，二者占地面积相当，执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的1/3。

　　2010年11月17日，国防科技大学研制的天河一号以每秒4700万亿次的峰值速度和每秒2566万亿次的持续速度，中国人首次站到了超级计算机世界冠军的领奖台上。

　　然而，仅仅过了不到8个月，日本超级计算机“京”就将天河一号挤下冠军台。之后，美国研制的 “红杉”、“泰坦”超级计算机先后坐上世界第一的交椅，天河一号排名滑落至第8名。

　　从银河到天河，从“天河一号”到“天河二号”……凭着雄厚的技术积累和预先研究取得的成果，国防科技大学成功立项国家科技部863计划信息技术领域“高效能计算机研制”重大项目。今年5月份，峰值速度达5.49亿亿次的天河二号亮相。

　　那么，王者归来的天河二号能在世界第一维持多久？“相互超越很可能会成为今后世界超算强国竞争的常态。我们有能力也有信心，不断缩小与发达国家的差距。”廖湘科说。

　　强在哪？

　　高性能、低能耗、应用广，体系结构、操作系统实现中国创造

　　“一是高性能，峰值速度和持续速度都创造了新的世界纪录。二是低能耗，能效比为每瓦特19亿次，达到了世界先进水平。三是应用广，主打科学工程计算，兼顾了云计算。四是易使用，创新发展了异构融合体系结构，提高了软件兼容性和易编程性。五是性价比高。”

　　2013国际超级计算大会上，天河二号的介绍引来阵阵掌声。

　　高性能、高能效从何而来？廖湘科说：一切源于瞄准国际前沿的自主创新，是自主创新推动了中国超算的跨越式发展。

　　世界超级计算机的发展历程表明，计算能力每提高一个量级，都需要体系结构的创新和一系列关键技术的新突破。在天河一号研制中，该院科研人员首创了CPU＋GPU的异构融合计算体系结构，引领了世界超算的发展方向。

　　尽管有天河一号研制的技术积累和工程经验，但要突破亿亿次级超级计算机关键技术并非易事。超级计算机运算性能的提升，决不是量的简单叠加，而是全系统质的跨越。

　　体系结构是高性能计算机的“筋骨”。研制人员在总结天河一号成功经验的基础上，自主创新了新型异构多态体系结构，实现了多类型计算资源、输入输出资源和服务资源的灵活配置，在强化科学工程计算的同时，可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用，显著扩大了天河二号的应用领域。

　　随着系统规模的扩大，用电量随之大增。天河二号通过采用综合化的能耗控制，设计实现了面向高效能计算的层次式优化框架、自适应能耗控制算法及低损耗、高效率的电源设计，有效提高了系统的能效比，达到了世界先进水平。

　　科研人员告诉记者，如果不能有效解决超级计算机的体积问题，系统的安装调试、运行管理等都将成为很大的难题。天河二号设计实现了高密度、高精度的结构工艺，采用了多机柜封闭循环的水风混合冷却方案，有效缩减了系统体积，与美国“泰坦”相比，体积小了15%。

　　天河二号工程副总指挥李楠研究员介绍，天河二号的体系结构、高速互连技术、操作系统等实现了中国创造，拥有自主只是产权，而CPU芯片和应用软件还没有完全国产化。但值得一提的是，由国家重大专项支持、该校自主研制的新一代FT1500CPU，是当前国内主频最高的通用CPU。“名次只是副产品，为创新型国家建设提供动力、为关系人类未来生存发展的大科学问题提供解决方案，才是我们加速超算发展的根本原因。”

　　怎么用？

　　从食到医、从行到娱，还未正式“上岗”便已提前服务

　　其实，利用“天河”渲染制作的国产电影《关云长》、新版电视剧《西游记》以及美国电影《生化危机2》等，早已走进影院、搬上荧屏。这只是超算应用老百姓生活的一个缩影，“天河”已经广泛应用于食、医、行、娱。

　　据了解，2010年天河一号在国家超级计算天津中心投入使用后，“天河”超级计算机的用户迄今已超过600个，在石油勘探、地震数据处理、土木工程设计、航空航天、生物医药、天气预报与气候研究、海洋环境研究、新能源、新材料、宇宙科学研究、动漫与影视渲染等领域得到广泛应用。

　　“超级计算机研制难，用好更难。这是国际超算领域的普遍认识。”天河二号副总设计师朱小谦研究员介绍，天河二号研制中，他们认真分析总结天河一号的研制与应用经验，对市场需求进行深入调研。在天河二号上，若干典型应用的运算规模、计算效率、精细度均已超过天河一号。

　　以500人规模的全基因组信息关联性分析为例，华大基因利用自有计算机系统需1年时间，利用天河二号只需3个小时。研发一款新型车，采用传统手段要经过上百次的真实碰撞，历时两年多才能推出；而利用天河二号进行碰撞模拟和空气动力学模拟，只需3到5次真实碰撞，两个月即可完成。

　　据朱小谦介绍，近年来，我国超级计算机需求急剧增长，天河二号研制成功后，天河一号的一些重点用户已迫不及待地提出使用申请。目前，天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计等多个领域，开始为多家用户单位提供超级计算服务。

　　据了解，天河二号作为广州超级计算中心的主机，将在今年下半年安装交付并投入业务运行。随着天河二号的推广应用，我国超级计算机应用深度和广度将迅速扩大，持续发挥不可替代的巨大作用。国防科大宣布，将在2015年研制出十亿亿次超级计算机，2020年前后研制出百亿亿次计算机。(记者 倪光辉)