中国"大脑"有望夺取世界第一 四季度或正式运行

付雁南

2010年09月08日08:25  来源:《中国青年报》

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"天河一号" 


  CFP供图
"天河一号" 


  如果在电影里,在这一排排指示灯不断闪烁的黑色柜子里,多半会存着什么重要的机密文件,但现在,这里正储存着也许是世界上最快的“大脑”。

  根据理论数据,它的运算速度可以达到每秒一千万亿次,还有科学家据此推算:全国13亿人连续计算88年的数据,交给这个“超级大脑”,只需要1秒钟。

  “超级大脑”其实是一台被命名为“天河一号”的超级计算机。在国家超级计算天津中心的大楼里,它们被装入100多个用光纤相连的机柜,存放在一间近千平方米的大房间里,不断发出风扇旋转的轰鸣声。这是中国第一台也是目前唯一一台千万亿次级别的计算机,它的诞生,也使中国成为继美国之后,第二个有自主研制如此规模超级计算机的国家。

  “与‘银河’系列计算机的定位不同,‘天河’系列的超级计算机主要针对民用市场。”国家超级计算天津中心副主任朱小谦说。他同时介绍,在今年年底正式投入使用之后,这个“超级大脑”可以帮助我们作出更精准的天气预报、设计更安全的汽车,或者研发更有效的药物,从而直接影响每一个普通人的生活。

  这台国产自主的超级电脑“很有可能摘取世界第一的桂冠”

  在普通人看来,要提升计算机的计算能力,似乎只要把很多个中央处理器(CPU)“绑”起来就行了。就好像要比10个人的小组工作快10倍,只要找100个人来就可以了一样。但在计算机的研发中,这一过程却复杂得多。为了把计算机的运算速度从“每秒一百万亿次”增加到“每秒一千万亿次”,中国科学家花了3年的时间。

  “影响计算机性能的因素有很多,除了CPU本身的性能,它们之间的通信状况也很重要。”朱小谦说。

  在现实生活中,当我们把一份任务分给100个人去做的时候,除了前期把工作细分,最后把个人的工作汇总,中间还要让这100个人进行适当的沟通和配合,否则就会产生严重的内耗,降低工作效率。

  研发超级计算机的并行工作原理也是如此。不同的计算子任务之间应当不断交流计算的进度,在需要的时候交换计算结果并且相互配合。这些工作无法完成,电脑就会产生大量的“额外开销”,消耗大量的电力,也完全实现不了自己应有的运算能力。

  当超级计算机的研制提高到“千万亿次”的级别,计算规模越来越大,CPU的数量越来越多的时候,如何提高元件间的相互通信能力就成了学术界讨论的热点。与过去的超级计算机中单纯使用CPU不同,一些学者提出,可以将普通计算机中用于图形处理的图形处理器(GPU)应用在超级计算机中,成为计算过程中的“加速模块”。

  “CPU与GPU的结合可以让相同计算能力的计算机的体积更小,消耗的能量也更低。”朱小谦说。

  不过,在很长一段时间里,这两种处理器共同工作的模式一直停留在理论研究的阶段。美国已有的千万亿次计算机仍然保留了单纯使用CPU的方式,但“天河一号”的研发人员却第一次将学术界讨论的“概念机”变成了现实。

  在“天河一号”一排排高大的机柜里,一共装有6144个CPU和5120个GPU,这就是它惊人运算速度的原因。有媒体描述说,“天河一号”一天的计算量,当前主流的双核处理器微机要算160多年。

  朱小谦并不认同这样简单的比喻。“天河一号不能直接和一台微型电脑相比。”朱小谦说,“单个CPU并不能体现出它的速度,它的功能是整体协作的结果。”

  他解释说,同样一台超级计算机,在用于天气预报的计算时可能速度特别快,但用于航空领域的计算时效果就没那么好。计算机的速度与程序的算法直接相关,因此,很难笼统地对它的速度进行直接评价。

  不过在国际上,人们还是找到了衡量超级计算机的标准。通过运行一个世界通行的“基准测试程序包”,人们就能获得计算机的速度评价,甚至还有人每年以此为标准对超级计算机进行“世界500强”排名。

  这个由德国人在1993年创立的排行榜每半年发布一次。在2009年11月发布的第34季超级计算机500强的排名中,一个月前刚研制成功的“天河一号”在全球排名第五,亚洲排名第一。这是中国计算机首次在这一榜单中进入前5名。

  在2009年研发完成之后,国家超级计算中心的工作人员又对“天河一号”的性能进行了优化更新,其中CPU更是换成了国产自主研制的“飞腾”芯片,“性能更加强大”。

  对于今年11月的新一轮“500强”排名,朱小谦非常保守地表示,“‘天河一号’很可能会有更好的名次。”而另一些超级电脑工业的科学家和工程师则提出,当今中国制造的超级电脑“很有可能摘取世界第一的桂冠”。

  中国正迅速成为高性能电脑领域的“玩家”

  在超级计算机领域,美国的领先优势非常明显:在2009年的电脑“世界500强”排名中,282台来自美国。

  不过,从2009年开始,来自中国的超级计算机已经逐渐崭露头角,除了“天河一号”,在2010年上半年的排名中,同样来自中国的“曙光星云”超级计算机排到了第二名。

  “这肯定有一定的鼓舞作用。”牛津超级计算中心的主任乔·洛克利博士在接受采访时评价说,“中国正迅速成为高性能电脑领域的‘玩家’,这将意味着真正的工业兴起。”

  事实上,在许多工业研究领域,超级计算机都发挥着越来越重要的作用。在石油勘探的过程中,对地下构造的计算、分析有助于精确寻找油藏的位置,而在飞机研发领域,超级计算机能够模拟大量的试验,从而制定出最好的设计方案。

  洛克利表示,虽然中国超级计算机研究的起步比较晚,但这刚好提供了一个“很高的起点”:不需要浪费资源去解决一些发展初期所要面对的瓶颈和难题。美国早在1990年就提出了制造千万亿次级巨型计算机,但直到2009年,这一目标才得以实现。几个月之后,中国的计算机就达到了同样的目标。

  朱小谦从1998年就投身超级计算机应用研究工作,对国产超级计算机的每次技术进步如数家珍。虽然这些变革在普通公众看来,不过是一块块同样陌生的芯片。而从外观上来看,国内的超级计算机“组装密度越来越高,体积也越来越大,计算能力更是直线增长”。

  在今年的排名中,已经有24台国产超级计算机排入了“世界500强”的名单。除了人们熟悉的“银河”、“神威”等用于军事开发的计算机,“曙光”、“联想”、“浪潮”等民用计算机也在普通人的生活中发挥着重要作用。

  不过,这一领域日新月异的高速发展并没有给研究人员什么时间用来欣喜。事实上,就在“天河一号”排名世界第五之后,在2010年上半年的第35季电脑“世界500强”排名中,这一名次就跌落到了第七位。

  “全世界计算机的发展非常快,一年的时间就可能什么都变了。”朱小谦说,“真正重要的还是把它们推广应用,产生实际的效益。”

  就像爱因斯坦的大脑推动了科学的进步一样,这个也许是世界上最快的“大脑”,也能让我们的生活变得更加美好。

  “天河”系列超级计算机的名字,取自国防科技大学“银河”系列计算机与天津市滨海新区的合作。2009年9月,“天河一号”在研发完成后被运到天津,在正式投入使用之前,超级计算中心先将一个运算能力为1/10的小系统向公众开放。

  现在,已经有天津市生物医药联合研究院、南开大学等研发单位利用小系统进行药物研发,天津的动漫产业综合示范园也在此进行一些动画的制作。

  “‘天河’一号为用户的设计研发提供了一个高性能的运算平台。”朱小谦说。

  他介绍说,在使用“天河一号”的系统时,工作人员先帮用户把程序移植到业务主机上来,随后通过调试让程序更符合机器的特点,运行得更加高效、经济。

  “天河一号”的使用也并不局限在天津地区。事实上,它还提供了24小时的网络远程应用服务。人们可以在得到超级计算中心的授权之后,从自己的电脑通过互联网连接到“天河一号”,上传自己的程序,下载运算数据,从而“使有兴趣的大、中学生也可以进行课题研究”。

  不过,朱小谦也表示,对于“天河一号”这样的千万亿次级超级计算机,由于CPU之间的相互协调需要大量能耗,普通的程序未必能体现出它的“强大能力”:“要充分发挥它的优势,所需要的计算量一定要具有相当规模,否则就是‘大炮打蚊子’了。”

  现在,这台中国最快的计算机正立在天津滨海新区的产业园区里。国家超级计算天津中心的工作人员正马不停蹄地对它进行调试。除了通过测试程序来判断机器的状态是否稳定,元器件故障也是工作人员的重点排查对象。

  对于只拥有一个CPU的普通电脑而言,发生故障的概率很低,但在 6000多个CPU 和5000多个GPU 聚集在一起之后,发生故障的概率就高得惊人了。“天河一号”的监控管理系统能够及时提示发生故障的节点,并且将CPU上运行的任务迁移出来,而工作人员也同样需要及时将坏掉的CPU进行维修、替换。

  “我们计划在第四季度让它投入正式运行。”朱小谦说。

  尽管调试还没有完成,工作人员已经期待着这台中国最快的计算机在更多的领域一展身手:它可以在药物研发中对所有可能的分子组合进行高速测试,从而筛选出十几种甚至几十种药物进行实验;它可以用高速的计算分析气流、云层数据,从而作出7天甚至更长的精确天气预报;它能够对股票期货的投资进行详细模拟计算,甚至可以将行动建议精确到“几分几秒出手”;它也可以反复模拟安全碰撞试验,减小设计误差,提高汽车的质量和安全性能……

  或许,就像爱因斯坦的大脑推动了科学的进步一样,这个也许是世界上最快的“大脑”,也能让我们的生活变得更加美好。

(责任编辑:刘然)
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