揭秘天河一号计算机如何创造2570万亿次奇迹
北京时间2010年11月17日，国际超级计算机TOP500组织正式发布了第36届世界超级计算机500强排行榜，我国自主研发的“天河一号”超级计算机凭着每秒钟4700万亿次的运算峰值速度脱颖而出，成为世界运算速度最快的超级计算机。“天河一号”夺取世界冠军的消息吸引着全球媒体的眼球，也引发了人们对超级计算机的关注。普通计算机大家都很熟悉，什么是超级计算机？它能做哪些计算，又如何计算？“天河一号”与人们的生活会有怎样的联系？日前，本报记者再次探访国家超级计算天津中心，让记者带你一起走近“天河一号”，了解超级计算机的奥秘。
“绿色巨无霸”
最瘦身最节能
“天河一号”的家就安在天津滨海新区的国家超级计算天津中心。砖红色的办公大楼上“天河”两个大字在阳光照耀下格外醒目。走进大楼一层的“天河一号”主机房，140多个一人多高的黑灰色机柜，犹如整齐排列的披甲武士，在将近三个篮球场大小的机房内整整齐齐排成13排，总重量约150吨。在计算机运转的轻微蜂鸣声中，机柜上很多绿色小灯不断闪烁，数万颗高性能微处理器就像一颗颗心脏高效、有序地跳动着。
庞大的身躯是超级计算机最显著的特点之一，和世界上已有的千万亿次超级计算机相比，“天河一号”算得上是身材苗条的小个子，它拥有2万多个高性能微处理器，既可以调动全部资源全身心地服务于一项重大研究，比如大飞机、大火箭的设计制造，也可以分身有术，同时为成千上万个中小企业提供高速运算服务。“如今的‘天河一号’峰值性能、实用性能、可靠性、可用性都进入了国际领先行列，”国家超级计算天津中心主任刘光明自豪地说，“目前千万亿次系统已经向用户开放使用。”
在主机房里记者看到的“天河一号”，就是一排排的机柜，那么与人们熟悉的个人电脑比起来，它的主机、显示器、键盘和鼠标又在哪里呢？据介绍，主机房中的每一个机柜都是超级计算机的一个计算单元，用户可通过网络终端登录来使用超级计算机。这些终端可以是PC机、工作站、也可以是个人笔记本电脑，这些都成为超级计算机的“键盘鼠标”。
目前，世界上为数不多的千万亿次超级计算机中，占地面积大都达到了上千平方米，而“天河一号”是如何做到占地不足700平方米的瘦身效果呢？工作人员拆下机柜上一组被称为“刀片”的计算模块向记者展示：“‘天河一号’采用了双面对插式的高密度组装方案，每一组‘刀片’都可以支持热插拔，即插即用，这样使得维护非常方便，机柜内通信连线的路径也最短，确保了信号传送的高速率和低延时。”
同时，这样设计也解决了一个关系着“天河一号”能否稳定运行的关键问题。“天河一号”的最大用电量约为每小时4000度电，耗电量大，如何保证系统稳定运行，通风散热至关重要。掀起主机房的地板，下面布满了一排排冷水水管。“冷水从地板下送入计算机柜侧面的空调单元，产生用于散热的冷风。机柜内每个‘刀片’上都布满了散热器，冷风经过刀片后带走微处理器等产生的热，然后通过空调单元将热通过回水管中的水带到机房外，进行循环制冷。”工作人员介绍，由于采用了世界最先进的水冷风冷结合的新技术，“天河一号”的能效值提升了近50%，堪称世界上最节能的超级计算机之一。
小块头有大智慧
1天= 620年
如果评价计算机的指标只有一个，相信绝大多数人会选择速度。而超级计算机区别于普通计算机的最大特点，正是普通计算机无法企及的运算速度。如果普通计算机的运算速度相当于人步行的速度，那么超级计算机的运算速度，就相当于火箭。它可以在最短的时间内计算出复杂的、大型的、挑战性的问题。比如计算未来一周的天气预报，如果用个人电脑可能需要几个月甚至更长时间，而采用超级计算机一两个小时就可以完成。
在2000年时，运算速度在万亿次、十万亿次是超级计算机的标志，到了2009年，百万亿次以上是超级计算机的新标志，而千万亿次则是超级计算机的新高峰。国际超级计算大会，被誉为超级计算机领域的奥运会，计算机界都以能够进入TOP500前列来衡量一个国家制造和使用高性能计算机的水平。2009年11月18日的第34届全球超级计算机大会上，排名前十的超级计算机中，“天河一号”成为唯一一台非美国产品，中国从此成为世界上第二个有能力研制千万亿次计算机的国家。此后短短1年时间里，“天河一号”峰值速度提高了2.89倍，持续速度提高了3.55倍，在2010年底第36届全球超级计算机大会上问鼎世界第一，标志着我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领先行列。
最值得自豪的是“天河一号”系统部分采用了我国自主研发的CPU，而正是我国首创的CPU与GPU融合并行计算体结构使得“天河一号”最终领先世界。为此，美国《纽约时报》发表题为“中国成为世界最快超级电脑制造国”的文章称，中国的一个科研中心已制造出了有史以来最快的超级计算机，这使得中国有资格声称是技术超级大国。
到底“天河一号”运算速度有多快呢？国家超级计算天津中心副主任朱小谦给记者做了一个形象的解释：“天河一号”的运算峰值达到4700万亿次双精度浮点运算，换算成我们熟悉的十进制就意味着“天河一号”能够在1秒钟内，进行带有小数点的十五、十六位实数运算4700万亿次。打个比方，假如每个人每秒钟可以做一次浮点运算，“天河一号”计算1个小时就相当于全国13亿人计算340年时间，“天河一号”计算1天，就相当于一台双核的个人电脑计算620年时间。“天河一号”总的存储容量能够容纳1千万亿个汉字，相当于一个存储10亿册100万字书籍的巨大图书馆。
“天河”离我们很远吗
超级计算机是世界公认的高新技术制高点，也是一个国家科技竞争力和综合国力的重要标志，世界强国均将超级计算机作为一项重要的基础设施投入巨资进行研发。也许超级计算机对普通人来讲还很神秘，而事实上，超级计算机跟我们的日常生活却十分接近。“天河一号”部署到国家超级计算天津中心后，已经开始向用户提供超级计算服务。
2009年12月“天河一号”系统运抵国家超级计算天津中心，开展重点用户的试用和应用推广。“天河一号”以云计算的方式把计算能力输送给各行各业，用户终端小到笔记本、3G手机，都可以通过互联网享受计算服务。通过互联网，企业不出门就可以远程使用“天河一号”的超级计算能力。目前我国的超级计算机用户，主要集中在石油勘探、天气预报、生物医药、基因研究、流体力学、空气动力学、基础研究等领域，而“天河一号”设计的最终目标是服务于普通老百姓。未来“天河一号”将面向全球开放，无论走到世界什么地方，只要在网络上登录“天河一号”账户，就能享受到快速的计算服务。
天气预报更快更准
最常见的天气预报就是超级计算的结果。天气预报的基本原理是以气象卫星、气象雷达以及其他的一些观测手段，将所获得的观测资料输入超级计算机，然后用一个“全球模式程序”进行计算。所谓“全球模式”就是把地球的表面划分成纵横交错的若干个网格，把每个网格进行叠加计算，最后取得一个整体的预测效果。理论上讲，网格划分密度越大，计算结果越精准，但同时网格密度每增大一倍，所产生的计算量也要提高16倍。目前气象预报应用的主要是百万亿次超级计算机，网格边长约为25公里。
在超算中心的电脑屏幕上，正在显示一个立体网格组成的全球气象预报动态模型，不断刷新着颜色和角度，“就像显示屏上演示的这样，‘天河一号’投入使用后，气象预报模型的网格边长将缩小到10公里左右。”朱小谦介绍，“未来7天的天气预报，用‘天河一号’计算只需1个小时就可以完成。今后天气预报将进一步定时化，个人可以随时查询到全球某个局部区域在某个特定时间段的天气情况。这对于我们预防重大自然灾害发生将发挥非常重要的作用。”
仿真演算让汽车更安全
在国家超级计算天津中心二层展示厅内，十余台显示器正在同时进行多套仿真计算结果的演示。在这里，超级计算机计算出的数字变成了人们能够看懂的画面。记者在其中一台显示器上看到，一辆模拟轿车正在进行正面碰撞实验，通过模拟可以看到汽车撞墙后车身变形的情况。
汽车生产厂家在对新车进行研发设计时，考虑车辆的安全性能，必须进行碰撞实验，但又不能每一次碰撞都用实车进行，因此就需要依靠超级计算机进行仿真计算，模拟出车辆碰撞后的结果，然后发现设计缺陷，再加以改进。朱小谦指着屏幕上正在进行的试验向记者介绍：“这是我们和天津一汽在碰撞试验方面的一个合作，采用‘天河一号’的计算平台仅用64个CPU可以在100分钟内完成一个单车的正碰和侧碰试验，设计效率提高了60多倍。”
动漫渲染比“梦工厂”更梦幻
截至目前，“天河一号”系统已为40多个用户单位提供了高性能计算服务，还有数十个项目正在密切接洽中。“我们的服务对象目前主要以天津滨海新区用户为主，同时向全国开放，”朱小谦说，国家超级计算天津中心已经与中新天津生态城国家动漫产业综合示范园进行合作，共同打造世界一流的动漫公共技术服务平台。
有了“天河一号”的计算平台，动漫企业在制作3D电影时比美国好莱坞梦工厂速度还快，企业可以大大提高渲染效率，缩短动画影片的制作周期，原来普通电脑需一个月完成的运算任务，“天河一号”只需一天就可以完成。今年国家超级计算天津中心还将与北京某动漫公司合作，开展裸视3D影视设备和节目的设计制作、高端动漫人才培养、数字电影和动漫产品设计，逐步实现动漫设计制作的产业聚集。
新药研发周期缩短500倍
用“天河一号”模拟蛋白质分子结构，进行生物医药研发，科学家可以在较短时间内从几十万甚至几百万种化合物中筛选出有效的药物化合物组成，不仅能节省大量资金，而且大大缩短药物研制周期，这就为药物研发提供了革命性的方法和手段。
天津国际生物医药联合研究院是“天河一号”的用户单位之一。据介绍，研发一种新药，按照常规计算，平均要耗时10年、花费10亿美元、筛选10万个化合物。使用超级计算机后，高性能计算机辅助药物设计和高通量虚拟筛选方法的应用，为化合物活性的评价提供了极大的方便，使通常在普通计算机上需要运行一年的筛选任务缩短到一个星期，大大提高了新药研发的效率，降低了成本，给新药的发现提出了新的思路。另外，超级计算机还正在逐步应用到基因分析、人体数字模型上，人体数字模型是将每个人的内部器官组织(如心脏、血管系统、主要器官等)进行数字化，并进行定期修正，这样，就可以预测每个人的健康状况、提出保健指导，延长人的寿命，应用前景非常美好。
“天河一号”进行时
按照计划，目前国家超级计算天津中心依托“天河一号”超级计算机系统，正在打造面向高端装备制造、生物医药、石油勘探、动漫渲染、工程仿真、金融风险分析、对地观测数据处理、流体力学和空气动力学等9大领域应用平台。同时，充分发挥天津大学分中心的作用，建设好南开大学、天津科技大学分中心；近期将成立天津滨海云计算中心，为天津地区的信息化服务，为中小企业服务；拓展物联网等新型应用领域。
超级计算机性能的发展，至今遵循着千倍规律，即每隔十年，性能就会提高1000倍，从我国首台1亿次超级计算机“银河I”研制成功到千万亿次的“天河一号”的诞生，经过了27年，超级计算机的速度增长了数千万倍。从“天河一号”研制成功的那天起，研究人员就已经着手新一代超级计算机核心技术的研究，对于中国的超级计算机来说，未来还有无数个问号等着被破解……
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超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的微处理器组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。
超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。随着超级计算机运算速度的迅猛发展，越来越多应用在工业、国防、科研和学术等领域。我国现阶段超级计算机拥有量为22台(中国内地19台，香港1台，台湾2台)，居世界第2位。
除“天河一号”超级计算机外，我国的曙光“星云”超级计算机2010年6月1日正式对外发布，其系统峰值为每秒3000万亿次，由坐落在天津滨海高新技术产业开发区内的曙光公司天津产业基地研制生产，在2010年11月17日发布的第36届全球超级计算机500强排名中，名列第三位。本版撰文本报记者陈璠本版摄影本报记者崔巧琳
