運(yùn)算速度世界第一的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)到底有多快？

運(yùn)算速度世界第一的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)

“神威”龐大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

11月11日至13日，第十三屆中國(guó)(無(wú)錫)國(guó)際設(shè)計(jì)博覽會(huì)暨2016無(wú)錫年度創(chuàng)客大會(huì)在無(wú)錫太湖博覽中心舉行，在眾多參展的企業(yè)中，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心成為此次博覽會(huì)的一大亮點(diǎn)。今年德國(guó)法蘭克福國(guó)際超算大會(huì)(ISC)公布的新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，由該中心研制的“神威·太湖之光”運(yùn)算速度奪得世界第一，其1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球70多億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。

1 她長(zhǎng)啥樣?身如巨無(wú)霸，“臥室”有1000平米大

無(wú)錫濱湖區(qū)，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心，“神威·太湖之光”的機(jī)身就安放在一間約1000平方米的房間內(nèi)。走進(jìn)機(jī)房?jī)?nèi)部迎面而來(lái)的是三組巨大的機(jī)柜，其中中間一組機(jī)柜的正面寫著“神威·太湖之光”幾個(gè)大字，而在機(jī)箱的上部邊緣還有著不斷閃爍的LED光條。這三組機(jī)柜又由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成。工作人員隨機(jī)打開(kāi)一個(gè)機(jī)柜，看起來(lái)很像一個(gè)寬體式家用雙開(kāi)門冰箱，而里面卻密密麻麻地排列著運(yùn)算的抽拉式檔案柜。打開(kāi)柜門，4塊由32塊運(yùn)算插件組成的超節(jié)點(diǎn)分布其中;每個(gè)插件由4個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板組成，一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板又含2塊“申威26010”高性能處理器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)機(jī)柜裝有1024塊處理器，整臺(tái)“神威·太湖之光”共有40960塊處理器。

在這些機(jī)柜的后面，運(yùn)算設(shè)備除了連接著大量網(wǎng)線外，每組運(yùn)算單元上都接著兩根水管，據(jù)介紹，這是用來(lái)冷卻運(yùn)算設(shè)備的重要組成部分，而這一水冷技術(shù)是“神威系列”超算的一大特點(diǎn)，它可以充分保證對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)芯片的降溫效果，而在整個(gè)過(guò)程中，基本聽(tīng)不到機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音，只有水冷設(shè)備工作時(shí)非常輕微的流水聲。

2 她有多快?最高運(yùn)算12.5億億次/秒，世界第一

這樣一個(gè)“龐然大物”的運(yùn)行速度究竟有多快?國(guó)際超算大會(huì)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)顯示，“神威·太湖之光”系統(tǒng)的峰值性能為12.5億億次/秒，世界第一;持續(xù)性能為9.3億億次/秒，還是世界第一。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這套系統(tǒng)1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年;如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個(gè)人臺(tái)式機(jī)作參照，‘太湖之光’相當(dāng)于200多萬(wàn)臺(tái)普通電腦。”對(duì)此，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心主任楊廣文作了一個(gè)形象的比較。“每一塊處理器相當(dāng)于20多臺(tái)常用筆記本電腦的計(jì)算能力，4萬(wàn)多塊再組裝到一起，速度之快可想而知。”

據(jù)了解，在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，還有中國(guó)的“天河二號(hào)”、美國(guó)的“泰坦”與“紅杉”、日本的“京”、美國(guó)的“米拉”與“三一”、瑞士的“代恩特峰”、德國(guó)的“花尾榛雞”和沙特阿拉伯的“沙欣II”。但在運(yùn)算速度上，“神威·太湖之光”接近“天河二號(hào)”的3倍，美國(guó)“泰坦”的5倍，超過(guò)排名第二到第五的4臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的總和。

3 她有未來(lái)?讓她學(xué)更多“功夫”，配好這“身板”

國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)錫中心副主任黃建國(guó)接受記者采訪時(shí)說(shuō)，使用中國(guó)自主芯片制造的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”技術(shù)超前、硬件一流，但還存在應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)不足、配套人才少的客觀事實(shí)。“相比較基于英特爾芯片開(kāi)發(fā)的眾多應(yīng)用而言，目前國(guó)內(nèi)支持國(guó)產(chǎn)申威處理器的應(yīng)用還不多。”黃建國(guó)坦言，指令系統(tǒng)不兼用，是目前國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。“很多企業(yè)現(xiàn)在使用的都是商業(yè)軟件，如果要使用我們的機(jī)器，基礎(chǔ)的指令就要對(duì)方自己去編，一些實(shí)力薄弱的單位目前還達(dá)不到這個(gè)水平。”

盡管在軟件配套上還尚未完善，但國(guó)內(nèi)各大機(jī)構(gòu)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的熱情仍是不減。“神威·太湖之光”正式運(yùn)行一個(gè)多月來(lái)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目通過(guò)使用該系統(tǒng)獲得突破，目前已取得60多項(xiàng)應(yīng)用成果。下一步，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心除了進(jìn)一步搭建好硬件平臺(tái)外，還將用5到10年時(shí)間去優(yōu)化軟件生態(tài)，通過(guò)與全國(guó)各類高校、企事業(yè)單位的合作，去補(bǔ)缺“國(guó)產(chǎn)軟件”少的短板，打破無(wú)相應(yīng)配套軟件可用的尷尬。“國(guó)外的一些商業(yè)軟件擁有龐大的客戶群，如果基于國(guó)產(chǎn)芯片的軟件也有著這么多的話，我們就不用受制于國(guó)外了”。黃建國(guó)坦言。

4 最核心問(wèn)題：她能干什么?

完成100年氣象模擬只是小意思

“超級(jí)計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是與時(shí)間賽跑，利用其快速的運(yùn)算能力，通過(guò)數(shù)據(jù)分析幫助各行各業(yè)的研究機(jī)構(gòu)，縮短他們的研發(fā)過(guò)程。” 國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心推廣培訓(xùn)部的王瓊告訴記者。他舉了一個(gè)例子，比如說(shuō)，氣象預(yù)報(bào)是超級(jí)計(jì)算機(jī)最主要的用途之一。下不下雨關(guān)鍵看云層運(yùn)動(dòng)，有了超級(jí)計(jì)算機(jī)后，就可對(duì)云層運(yùn)動(dòng)的區(qū)域范圍、軌跡等進(jìn)行精確模擬與觀測(cè)。他說(shuō)，2011年天津“天河一號(hào)”觀測(cè)精度為10萬(wàn)公里，“神威藍(lán)光”實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)公里精度，而“神威·太湖之光”把精度縮到9公里，如今正向著3公里精度邁進(jìn)。未來(lái)有了更快的超算能力支撐，天氣預(yù)報(bào)就可以萬(wàn)無(wú)一失了。更值得一提的是，“神威·太湖之光”系統(tǒng)可以在30天內(nèi)完成未來(lái)100年的地球氣候模擬，這在之前是不可想象的。有專家表示，以往過(guò)去2到3小時(shí)才能發(fā)出的海嘯預(yù)警，現(xiàn)在最快十幾分鐘就可完成。

再比如，目前已經(jīng)上市銷售的一款汽車中，其安全系數(shù)、防撞力度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算而來(lái)。王瓊解釋，在以前，這些實(shí)驗(yàn)都是需要通過(guò)真車在現(xiàn)場(chǎng)一輛一輛碰撞而來(lái)，現(xiàn)在有了超級(jí)計(jì)算機(jī)，只需要幾臺(tái)車輛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬后，其仿真的運(yùn)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比對(duì)，既能減少企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)成本，又能提高企業(yè)的研發(fā)周期。

還有，在動(dòng)漫電影中，為了使圖像可以與漫畫或者卡通達(dá)到形似的效果，專業(yè)人員通常使用卡通渲染著色器進(jìn)行處理。一場(chǎng)2個(gè)小時(shí)的動(dòng)漫電影，需要很大規(guī)模的渲染過(guò)程，一秒鐘播放24幀畫面，每一幀畫面在后期制作過(guò)程中都需要渲染，需要24臺(tái)機(jī)器同時(shí)給這個(gè)圖片進(jìn)行渲染，有了超級(jí)計(jì)算機(jī)后，可以同時(shí)給成千上萬(wàn)幀的圖片進(jìn)行渲染，以前一部動(dòng)漫電影的后期渲染需要一年，現(xiàn)在可能只需要一個(gè)月就可以制作完成。

在醫(yī)療方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)掃描真人的血管系統(tǒng)，運(yùn)用3D建模技術(shù)建立動(dòng)脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)整個(gè)人體的動(dòng)脈系統(tǒng)。過(guò)去，對(duì)一個(gè)可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進(jìn)行支架手術(shù)，一般都會(huì)通過(guò)從大腿動(dòng)脈處放進(jìn)測(cè)壓導(dǎo)絲進(jìn)行測(cè)量，這種方式既危險(xiǎn)又痛苦。如今，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，只要血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)小于0.8，就要做手術(shù)。

■科普時(shí)刻

什么是超級(jí)計(jì)算機(jī)?

超級(jí)計(jì)算機(jī)，是一種能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦無(wú)法處理的大量資料與高速運(yùn)算的電腦。它的基本組成組件與個(gè)人電腦的概念并沒(méi)有太大差異，但規(guī)格與性能則強(qiáng)大許多，是一種超大型電子計(jì)算機(jī)。具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富的、高功能的軟件系統(tǒng)。現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度大都可以達(dá)到每秒一太(Trillion，萬(wàn)億)次以上。

超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的一類計(jì)算機(jī)，多用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的體現(xiàn)，它對(duì)國(guó)家安全，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義，是國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。