中國"大腦"有望奪取世界第一 四季度或正式運行

付雁南

2010年09月08日08:25  來源:《中國青年報》

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"天河一號" 


  CFP供圖
"天河一號" 


  如果在電影裡,在這一排排指示燈不斷閃爍的黑色櫃子裡,多半會存著什麼重要的機密文件,但現在,這裡正儲存著也許是世界上最快的“大腦”。

  根據理論數據,它的運算速度可以達到每秒一千萬億次,還有科學家據此推算:全國13億人連續計算88年的數據,交給這個“超級大腦”,隻需要1秒鐘。

  “超級大腦”其實是一台被命名為“天河一號”的超級計算機。在國家超級計算天津中心的大樓裡,它們被裝入100多個用光纖相連的機櫃,存放在一間近千平方米的大房間裡,不斷發出風扇旋轉的轟鳴聲。這是中國第一台也是目前唯一一台千萬億次級別的計算機,它的誕生,也使中國成為繼美國之后,第二個有自主研制如此規模超級計算機的國家。

  “與‘銀河’系列計算機的定位不同,‘天河’系列的超級計算機主要針對民用市場。”國家超級計算天津中心副主任朱小謙說。他同時介紹,在今年年底正式投入使用之后,這個“超級大腦”可以幫助我們作出更精准的天氣預報、設計更安全的汽車,或者研發更有效的藥物,從而直接影響每一個普通人的生活。

  這台國產自主的超級電腦“很有可能摘取世界第一的桂冠”

  在普通人看來,要提升計算機的計算能力,似乎隻要把很多個中央處理器(CPU)“綁”起來就行了。就好像要比10個人的小組工作快10倍,隻要找100個人來就可以了一樣。但在計算機的研發中,這一過程卻復雜得多。為了把計算機的運算速度從“每秒一百萬億次”增加到“每秒一千萬億次”,中國科學家花了3年的時間。

  “影響計算機性能的因素有很多,除了CPU本身的性能,它們之間的通信狀況也很重要。”朱小謙說。

  在現實生活中,當我們把一份任務分給100個人去做的時候,除了前期把工作細分,最后把個人的工作匯總,中間還要讓這100個人進行適當的溝通和配合,否則就會產生嚴重的內耗,降低工作效率。

  研發超級計算機的並行工作原理也是如此。不同的計算子任務之間應當不斷交流計算的進度,在需要的時候交換計算結果並且相互配合。這些工作無法完成,電腦就會產生大量的“額外開銷”,消耗大量的電力,也完全實現不了自己應有的運算能力。

  當超級計算機的研制提高到“千萬億次”的級別,計算規模越來越大,CPU的數量越來越多的時候,如何提高元件間的相互通信能力就成了學術界討論的熱點。與過去的超級計算機中單純使用CPU不同,一些學者提出,可以將普通計算機中用於圖形處理的圖形處理器(GPU)應用在超級計算機中,成為計算過程中的“加速模塊”。

  “CPU與GPU的結合可以讓相同計算能力的計算機的體積更小,消耗的能量也更低。”朱小謙說。

  不過,在很長一段時間裡,這兩種處理器共同工作的模式一直停留在理論研究的階段。美國已有的千萬億次計算機仍然保留了單純使用CPU的方式,但“天河一號”的研發人員卻第一次將學術界討論的“概念機”變成了現實。

  在“天河一號”一排排高大的機櫃裡,一共裝有6144個CPU和5120個GPU,這就是它驚人運算速度的原因。有媒體描述說,“天河一號”一天的計算量,當前主流的雙核處理器微機要算160多年。

  朱小謙並不認同這樣簡單的比喻。“天河一號不能直接和一台微型電腦相比。”朱小謙說,“單個CPU並不能體現出它的速度,它的功能是整體協作的結果。”

  他解釋說,同樣一台超級計算機,在用於天氣預報的計算時可能速度特別快,但用於航空領域的計算時效果就沒那麼好。計算機的速度與程序的算法直接相關,因此,很難籠統地對它的速度進行直接評價。

  不過在國際上,人們還是找到了衡量超級計算機的標准。通過運行一個世界通行的“基准測試程序包”,人們就能獲得計算機的速度評價,甚至還有人每年以此為標准對超級計算機進行“世界500強”排名。

  這個由德國人在1993年創立的排行榜每半年發布一次。在2009年11月發布的第34季超級計算機500強的排名中,一個月前剛研制成功的“天河一號”在全球排名第五,亞洲排名第一。這是中國計算機首次在這一榜單中進入前5名。

  在2009年研發完成之后,國家超級計算中心的工作人員又對“天河一號”的性能進行了優化更新,其中CPU更是換成了國產自主研制的“飛騰”芯片,“性能更加強大”。

  對於今年11月的新一輪“500強”排名,朱小謙非常保守地表示,“‘天河一號’很可能會有更好的名次。”而另一些超級電腦工業的科學家和工程師則提出,當今中國制造的超級電腦“很有可能摘取世界第一的桂冠”。

  中國正迅速成為高性能電腦領域的“玩家”

  在超級計算機領域,美國的領先優勢非常明顯:在2009年的電腦“世界500強”排名中,282台來自美國。

  不過,從2009年開始,來自中國的超級計算機已經逐漸嶄露頭角,除了“天河一號”,在2010年上半年的排名中,同樣來自中國的“曙光星雲”超級計算機排到了第二名。

  “這肯定有一定的鼓舞作用。”牛津超級計算中心的主任喬·洛克利博士在接受採訪時評價說,“中國正迅速成為高性能電腦領域的‘玩家’,這將意味著真正的工業興起。”

  事實上,在許多工業研究領域,超級計算機都發揮著越來越重要的作用。在石油勘探的過程中,對地下構造的計算、分析有助於精確尋找油藏的位置,而在飛機研發領域,超級計算機能夠模擬大量的試驗,從而制定出最好的設計方案。

  洛克利表示,雖然中國超級計算機研究的起步比較晚,但這剛好提供了一個“很高的起點”:不需要浪費資源去解決一些發展初期所要面對的瓶頸和難題。美國早在1990年就提出了制造千萬億次級巨型計算機,但直到2009年,這一目標才得以實現。幾個月之后,中國的計算機就達到了同樣的目標。

  朱小謙從1998年就投身超級計算機應用研究工作,對國產超級計算機的每次技術進步如數家珍。雖然這些變革在普通公眾看來,不過是一塊塊同樣陌生的芯片。而從外觀上來看,國內的超級計算機“組裝密度越來越高,體積也越來越大,計算能力更是直線增長”。

  在今年的排名中,已經有24台國產超級計算機排入了“世界500強”的名單。除了人們熟悉的“銀河”、“神威”等用於軍事開發的計算機,“曙光”、“聯想”、“浪潮”等民用計算機也在普通人的生活中發揮著重要作用。

  不過,這一領域日新月異的高速發展並沒有給研究人員什麼時間用來欣喜。事實上,就在“天河一號”排名世界第五之后,在2010年上半年的第35季電腦“世界500強”排名中,這一名次就跌落到了第七位。

  “全世界計算機的發展非常快,一年的時間就可能什麼都變了。”朱小謙說,“真正重要的還是把它們推廣應用,產生實際的效益。”

  就像愛因斯坦的大腦推動了科學的進步一樣,這個也許是世界上最快的“大腦”,也能讓我們的生活變得更加美好。

  “天河”系列超級計算機的名字,取自國防科技大學“銀河”系列計算機與天津市濱海新區的合作。2009年9月,“天河一號”在研發完成后被運到天津,在正式投入使用之前,超級計算中心先將一個運算能力為1/10的小系統向公眾開放。

  現在,已經有天津市生物醫藥聯合研究院、南開大學等研發單位利用小系統進行藥物研發,天津的動漫產業綜合示范園也在此進行一些動畫的制作。

  “‘天河’一號為用戶的設計研發提供了一個高性能的運算平台。”朱小謙說。

  他介紹說,在使用“天河一號”的系統時,工作人員先幫用戶把程序移植到業務主機上來,隨后通過調試讓程序更符合機器的特點,運行得更加高效、經濟。

  “天河一號”的使用也並不局限在天津地區。事實上,它還提供了24小時的網絡遠程應用服務。人們可以在得到超級計算中心的授權之后,從自己的電腦通過互聯網連接到“天河一號”,上傳自己的程序,下載運算數據,從而“使有興趣的大、中學生也可以進行課題研究”。

  不過,朱小謙也表示,對於“天河一號”這樣的千萬億次級超級計算機,由於CPU之間的相互協調需要大量能耗,普通的程序未必能體現出它的“強大能力”:“要充分發揮它的優勢,所需要的計算量一定要具有相當規模,否則就是‘大炮打蚊子’了。”

  現在,這台中國最快的計算機正立在天津濱海新區的產業園區裡。國家超級計算天津中心的工作人員正馬不停蹄地對它進行調試。除了通過測試程序來判斷機器的狀態是否穩定,元器件故障也是工作人員的重點排查對象。

  對於隻擁有一個CPU的普通電腦而言,發生故障的概率很低,但在 6000多個CPU 和5000多個GPU 聚集在一起之后,發生故障的概率就高得驚人了。“天河一號”的監控管理系統能夠及時提示發生故障的節點,並且將CPU上運行的任務遷移出來,而工作人員也同樣需要及時將壞掉的CPU進行維修、替換。

  “我們計劃在第四季度讓它投入正式運行。”朱小謙說。

  盡管調試還沒有完成,工作人員已經期待著這台中國最快的計算機在更多的領域一展身手:它可以在藥物研發中對所有可能的分子組合進行高速測試,從而篩選出十幾種甚至幾十種藥物進行實驗﹔它可以用高速的計算分析氣流、雲層數據,從而作出7天甚至更長的精確天氣預報﹔它能夠對股票期貨的投資進行詳細模擬計算,甚至可以將行動建議精確到“幾分幾秒出手”﹔它也可以反復模擬安全碰撞試驗,減小設計誤差,提高汽車的質量和安全性能……

  或許,就像愛因斯坦的大腦推動了科學的進步一樣,這個也許是世界上最快的“大腦”,也能讓我們的生活變得更加美好。

(責任編輯:劉然)
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