速度之戰(zhàn)、應(yīng)用之戰(zhàn) 中國超算都要贏

　　近日，中國自主研發(fā)的超級計算機“神威·太湖之光”在2017國際高性能計算大會上再次蟬聯(lián)世界超算冠軍，拿下了中國國產(chǎn)超算系統(tǒng)在世界計算機冠軍寶座上的首個三連冠，再加上之前天河二號六次奪冠的輝煌歷史，中國超算在世界舞臺十分耀眼。

　　但是，聚光燈下的超算雖然“跑”得快、性能好，在應(yīng)用上卻有短板。

　　“借船出海”不是常勝之策

　　在“神威·太湖之光”橫空出世之前，中國超算天河二號曾是世界高性能計算領(lǐng)域的“霸主”。它六次問鼎世界TOP500，廣泛應(yīng)用于天氣氣候、生物醫(yī)藥、新材料等科研領(lǐng)域。但卻也遭受“詬病”，天河系列的處理器來自美國——天河一號是英特爾的CPU加上英偉達(dá)的GPU;天河二號是英特爾的GPU加上英特爾的眾核處理器。

　　“買來的芯片技術(shù)成熟、作用發(fā)揮快，雖不失為一種發(fā)展的策略，但是技術(shù)的自主可控?zé)o法實現(xiàn)。”清華大學(xué)計算機系博士后甘霖7月28日在接受科技日報記者采訪時表示，2015年美國宣布對華核心處理器禁運的一系列措施也直接導(dǎo)致天河系里的發(fā)展受阻。

　　“天河二號通過‘借船出海’超越美國的泰坦等超級計算機，但是在涉及國防安全等關(guān)鍵領(lǐng)域，國家對自主可控已經(jīng)提出明確的要求。”甘霖表示，關(guān)鍵技術(shù)受制于人，雖然可以“師夷長技”，卻在應(yīng)用層面大打折扣。

　　中國芯讓超算絕地“反擊”

　　中國超算在“神威·太湖之光”問鼎世界后為何備受振奮?背后的原因是，面對美國禁售的單方“制裁”，中國超算全面采用自主研制的中國芯——“申威26010”異構(gòu)眾核處理器實現(xiàn)絕地“反擊”，公眾的認(rèn)識也從“單純以速度取勝”轉(zhuǎn)化為“自主可控、峰值速度、持續(xù)性能、綠色指標(biāo)、應(yīng)用等方面實現(xiàn)了全面突破”。

　　國家計算流體力學(xué)實驗室利用基于“神威·太湖之光”開發(fā)的“航天飛行器統(tǒng)一算法數(shù)值模擬”軟件，完成了多組天宮一號飛行器隕落飛行狀態(tài)的大規(guī)模并行計算。使用16384個處理器(太湖之光整機的1/8)在20天內(nèi)完成常規(guī)需要12個月的計算任務(wù)，計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果符合較好。而且，與航天領(lǐng)域息息相關(guān)的材料學(xué)也需要通過模擬計算哪些元素的加入能達(dá)到最有效果。

　　現(xiàn)在，太湖之光的峰值運算性能達(dá)到每秒12.54億億次。這意味著，太湖之光1分鐘的計算能力，相當(dāng)于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。顯然，中國超算的硬件能力并非“徒有虛名”，那么，如此超強的能力究竟有沒有用武之地?

　　“中層斷檔”限制應(yīng)用擴增

　　2016年，在太湖之光上“奔跑”著的一個應(yīng)用項目獲得“戈登·貝爾”獎，實現(xiàn)了我國在世界高性能應(yīng)用領(lǐng)域29年來零的突破。

　　該項目“千萬核可擴展全球大氣動力學(xué)全隱式模擬”是使用了超過一千萬個核來完成一次氣候的數(shù)值仿真。其特殊之處在于算法——一個新的“全隱式”計算方法，這個算法的計算效率比當(dāng)前國際上同類問題最高水平提升了近一個數(shù)量級。“戈登·貝爾”獲獎團隊負(fù)責(zé)人、中科院軟件所研究員楊超曾表示，算法和性能是團隊獲獎的主要原因。

　　高性能計算實現(xiàn)應(yīng)用的落地絕非超級計算機的一己之力就能完成。它更像是一個鏈條，由中間層的軟件串聯(lián)起上游的應(yīng)用場景和下游的機器硬件。清華大學(xué)教授、國家超級計算無錫中心主任楊廣文在接受科技日報記者采訪時表示，從事計算機研究的人因為不熟悉應(yīng)用而設(shè)計不出更好的算法及應(yīng)用軟件，而做軟件應(yīng)用的人因為欠缺計算機能力而造不出高質(zhì)量的軟件……即便技術(shù)成熟、需求旺盛，只要軟件缺乏，超算的能力就無法施展。

　　而且，中國面臨更大的問題在于，不只是軟件落后，軟件生態(tài)與國外也有一定的差距。甘霖舉例說：太湖之光的眾核處理器相當(dāng)于1000萬只螞蟻在協(xié)調(diào)一致、同時拉動重物，如果一只螞蟻“犧牲”了，這只螞蟻的任務(wù)量就需要軟件分配給其他仍在工作的螞蟻，以保證計算合理進(jìn)行。這個看似簡單的步驟需要通用軟件來控制，形成容錯和糾錯的機制。雖然中國也有，但不及國外成熟的軟件。在太湖之光上運行的大部分程序，先前都需要針對太湖之光的硬件特點進(jìn)行代碼修改以實現(xiàn)優(yōu)化，這種調(diào)優(yōu)的過程要依靠軟件工具。

　　“雖手握‘戈登·貝爾’獎，但要全面提升我國超算應(yīng)用水平仍任重道遠(yuǎn)。”楊廣文講得很直接。這類似于剛剛脫離實驗室，功效可以預(yù)見，實施仍待檢驗。楊廣文認(rèn)為，要做好超算的應(yīng)用，需要科研人員有“工匠精神”。

　　從硬件到軟件，中國奮起直追，不斷發(fā)力，從跟跑追到并跑。在國家層面，國家重大科技專項中多個項目都在資助超算支持下的領(lǐng)域應(yīng)用，投入持續(xù)加大。楊廣文表示，系統(tǒng)的政策、項目與人才支持會促使超算的研發(fā)反哺產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級。

　　量子計算與超算不存在競爭關(guān)系

　　在“2017年國際大數(shù)據(jù)與E級計算研討會”上，楊廣文曾透露，“神威·太湖之光”新一代百億億次超算的研制已經(jīng)列入國家“十三五”規(guī)劃，目前高性能計算重點專項支持了“神威”“天河”“曙光”三臺原型機的研制，有望在2020年左右推出首臺國產(chǎn)百億億級次超級計算機。

　　從十億億級提高到百億億級面臨著巨大挑戰(zhàn)。楊廣文向科技日報記者表示，計算能力的提升導(dǎo)致功耗越來越大，采用低功耗芯片設(shè)計、高效的制冷技術(shù)、對整個系統(tǒng)管理的優(yōu)化管理是目前正在著手攻克的難題。

　　與新興的量子計算機相比，甘霖認(rèn)為，下一代超級計算機與其在幾十年內(nèi)不存在競爭關(guān)系。相較于傳統(tǒng)計算機1比特只能由0或1的兩種表示，量子計算機依靠量子的不確定性，實現(xiàn)量子表示的多態(tài)表達(dá)，比如量子比特可能有多種狀態(tài)的表達(dá)，有可能使量子計算機在同一規(guī)模下比傳統(tǒng)計算機的能力要強很多，但成型時間的不確定性就給這種可能性增加了更多未知數(shù)。

　　“量子計算機要想成熟起來，肯定要有一個成熟的算法，而且這個算法得能夠模擬應(yīng)用，與量子不確定性匹配起來，才能產(chǎn)生期望的效果。”甘霖表示，這也導(dǎo)致只有特定的應(yīng)用領(lǐng)域是量子計算機適合的。

　　“在下一代超算的發(fā)展與競爭中，中國不僅要贏得速度之戰(zhàn)，更重要的是贏得應(yīng)用之戰(zhàn)!”楊廣文說，國產(chǎn)應(yīng)用軟件的滯后和人才的缺乏，嚴(yán)重制約了超算的發(fā)展。以“致用”為終極目標(biāo)，“神威·太湖之光”團隊將進(jìn)一步組織國內(nèi)外優(yōu)勢力量，共同打造國產(chǎn)芯片生態(tài)環(huán)境，加強應(yīng)用軟件開發(fā)，特別要在氣象氣候服務(wù)、先進(jìn)制造、生命健康、大數(shù)據(jù)分析等重點應(yīng)用領(lǐng)域做足功課，突破應(yīng)用瓶頸，補齊中國超算應(yīng)用短板。