除了呼呼的風(fēng)扇聲，賽場一片沉寂，在場的上百名大學(xué)生緊盯著電腦，手指飛快地敲擊鍵盤。

這群平均年齡不到22歲的大學(xué)生，面對的是當(dāng)下最前沿的研究：機(jī)器閱讀理解、獲2017年諾貝爾化學(xué)獎的冷凍電鏡技術(shù)、美國國家航空航天局（NASA）的流體力學(xué)模擬軟件……

面對海量的數(shù)據(jù)，清華大學(xué)的大四學(xué)生李北辰估算后決定調(diào)整方案，“幾乎沒法跑完”。臨到結(jié)束，他甚至能聽到自己的心臟“咚咚”地跳動。

這是2018年世界大學(xué)生超級計(jì)算機(jī)競賽（簡稱ASC18）的現(xiàn)場，在2天20小時的規(guī)定時間里，每個隊(duì)伍需要自己搭建小型超級計(jì)算機(jī)，完成組委會布置的4道題目，運(yùn)算的結(jié)果將作為最后成績的評分依據(jù)。

李北辰隊(duì)伍搭建的機(jī)器的運(yùn)算能力，約為1萬臺現(xiàn)在市面上主流家用電腦運(yùn)算能力之和，但相比目前世界上最快的超級計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”，他們的算力還不到百分之一。

在幾個國家超級計(jì)算中心的超級計(jì)算機(jī)里，日夜運(yùn)行著全國各地發(fā)來的運(yùn)算指令。不管是天文觀測、航空模擬計(jì)算，還是天氣預(yù)報、生物醫(yī)療等日常生活的需求，都需要超級計(jì)算機(jī)的支撐。

“超級計(jì)算機(jī)的研究水平?jīng)Q定了一個國家的尖端科研實(shí)力。以天氣預(yù)報為例，如果計(jì)算明天天氣的時間超過一天，那這個預(yù)報就毫無意義了?！眹页売?jì)算濟(jì)南中心主任張?jiān)迫嬖V中國青年報·中青在線記者。目前中、美、日、俄等國對高性能超級計(jì)算機(jī)研究大力投入的背后，也是搶占科研制高點(diǎn)的競賽。

1后面17個0

這是一個以萬億為計(jì)量單位的世界。

在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，有著一份世界500強(qiáng)榜單。根據(jù)最新的排名，如果一臺機(jī)器的運(yùn)算能力達(dá)不到500萬億次每秒，它將被無情地“除名”。衡量超級計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)“簡單粗暴”：運(yùn)算能力夠快。上一代超級計(jì)算機(jī)使用的架構(gòu)與目前主流的不同，現(xiàn)在的技術(shù)將來也可能被量子計(jì)算機(jī)取代。

這份榜單每隔半年更新一次，總是能引起全世界的關(guān)注，人們津津樂道冠軍的更替，哪個國家上榜的超級計(jì)算機(jī)最多、總算力最高還被美國總統(tǒng)寫進(jìn)國情咨文。

2013年至今，中國自主研發(fā)的超級計(jì)算機(jī)就一直穩(wěn)坐榜首。最近兩年，這個位置屬于“神威·太湖之光”，它的峰值運(yùn)算速度達(dá)到每秒12．5億億次，“1”后面17個“0”，大致相當(dāng)于200萬臺普通電腦同時運(yùn)行。

但它遠(yuǎn)不止是堆積用于運(yùn)算的中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）這么簡單。張?jiān)迫嬖V記者，超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不遵循“1＋1＝2”的公式，還得考慮它們之間工作分配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗?！斑@就像領(lǐng)導(dǎo)10個人和領(lǐng)導(dǎo)1000個人的區(qū)別，如果不能合理管理，每個人的工作效率都會大大降低，即每個CPU和GPU的性能都沒有得到充分運(yùn)用?！?/p>

在國家超級計(jì)算濟(jì)南中心，“神威·藍(lán)光”超級計(jì)算機(jī)黑色的機(jī)箱緊密排布，圍成一個大圈，被小心安放在數(shù)百平方米的一樓大廳內(nèi)。當(dāng)這臺研發(fā)費(fèi)用數(shù)億元的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時，功耗是1兆瓦，大致相當(dāng)于1．5萬戶家庭的家電功率總和，每年僅電費(fèi)一項(xiàng)支出就接近2000萬元人民幣。

相比國家超級計(jì)算中心的“大手筆”，李北辰參加的ACS18則要求機(jī)器總功耗在3000瓦以內(nèi)，這意味著能使用的CPU、GPU數(shù)量有一個上限。

為了最大化利用它們的運(yùn)算能力，他們必須精打細(xì)算，一方面仔細(xì)分配每個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算內(nèi)容，另一方面還要簡化復(fù)雜的運(yùn)算，讓每個節(jié)點(diǎn)能同時計(jì)算盡可能多的內(nèi)容。

在這次比賽中，他們隊(duì)伍用了16塊GPU，總價值超過60萬元人民幣。為了分?jǐn)傦L(fēng)險，幾位隊(duì)員一人負(fù)責(zé)幾塊，小心翼翼地將這些寶貝從學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)到比賽現(xiàn)場。賽前，場地上趴滿了選手，大家都在緊張地安裝和調(diào)試設(shè)備。

租用超算一天，花費(fèi)上萬元

比賽開始不多久，參賽的選手就開始冒汗。除了心理因素，還因?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，會釋放大量的熱量，隊(duì)員戲稱“可以攤雞蛋了”。每個GPU都必須配備降溫風(fēng)扇，否則就會因溫度過高而停止運(yùn)行。

對超級計(jì)算機(jī)來說，如何有效地帶走這些“大腦”思考時散發(fā)的熱量一度是發(fā)展瓶頸。在國家超級計(jì)算廣州中心，工程師專門建造了冷水廠，不間斷運(yùn)送8攝氏度的水進(jìn)入“天河二號”的水冷系統(tǒng)。

機(jī)房還安排人員24小時值班，監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，清理垃圾進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)效率的最大化?！笆菣C(jī)器就有損壞和出問題的概率，怎樣讓它們的影響盡可能小也是門學(xué)問。”張?jiān)迫f。

李北辰曾參加另一場大學(xué)生超算競賽，48小時不間斷地比賽，他和隊(duì)員只能輪流睡覺，保證有人時刻盯著機(jī)器運(yùn)行。此外，組委會還隨機(jī)對賽場斷電，考查程序及時備份的能力。在實(shí)際使用中，這些都是極可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

中山大學(xué)腫瘤防治中心的博士后趙齊對此深有體會，他所在的團(tuán)隊(duì)是最早用“天河二號”測試生物應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)之一。因?yàn)樾枰幚泶罅康纳锘蚪M數(shù)據(jù)，他們從2012年起就開始使用超級計(jì)算機(jī)。

他告訴中國青年報·中青在線記者，他曾遇到各種奇怪的報錯和任務(wù)丟失，環(huán)境配置也不定時出問題，經(jīng)常算出他自己都不敢相信的結(jié)果。

這是因?yàn)樯镄畔㈩I(lǐng)域在超級計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用還在起步階段，成熟的軟件不多，很多時候需要用戶和超算中心的工作人員合作開發(fā)解決問題。

在過去5年，光他一個人就用“天河二號”處理了超過100TB的數(shù)據(jù)。超級計(jì)算機(jī)能在幾天或幾小時里，處理一般計(jì)算機(jī)半年乃至幾年才能處理完的工作。以前，等待運(yùn)算結(jié)果是他最苦悶的時候，“用上超級計(jì)算機(jī)算是奔小康了?！?/p>

因?yàn)樾枰幚淼臄?shù)據(jù)太多，網(wǎng)絡(luò)傳輸較慢，趙齊有時會采用郵寄硬盤的方式，“郵遞員最快”。

只是這樣的代價很高。趙齊所在的實(shí)驗(yàn)室每年消耗在數(shù)據(jù)存儲上的錢就在5萬元左右。租用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有時一天就會花費(fèi)上萬元。

對多數(shù)用戶來說，使用超級計(jì)算機(jī)和自己的電腦沒什么區(qū)別，登錄賬號，上傳數(shù)據(jù)就行了，運(yùn)算遠(yuǎn)在千里之外進(jìn)行。

超算世界500強(qiáng)前兩名是中國

當(dāng)你拿起智能手機(jī)，向語音助手詢問天氣，遠(yuǎn)在美國的超級計(jì)算機(jī)在不到1秒的時間里理解了你的意思。甜美的女聲播報的結(jié)果，則由濟(jì)南、廣州、無錫等多地的超級計(jì)算機(jī)共同計(jì)算得出。

大量影視公司利用它進(jìn)行后期特效處理，傳統(tǒng)制造業(yè)也倚仗這個技術(shù)，部分公司洗衣液的瓶子都是超級計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的。

有了超級計(jì)算機(jī)，研究者可以模擬出人類器官對藥物的反應(yīng)，大大縮短新藥的研發(fā)時間，節(jié)省成本。在抗埃博拉病毒藥物的篩選中，超級計(jì)算機(jī)能夠在一天內(nèi)完成超過4000萬分子化合物的篩選，以最快的速度應(yīng)對爆發(fā)性惡性傳染病。

此外，使用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行核爆炸模擬還是美國研究核武器的方式。

過去，超級計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。最近幾年，有關(guān)人工智能的運(yùn)算請求也越來越多。

為此，ASC競賽也開始引入人工智能的問題，李北辰打比方說，過去他們的工作類似于計(jì)算式子的結(jié)果，但現(xiàn)在，他們更像是在做應(yīng)用題，要先讀懂問題，從中抽象出式子，再進(jìn)行計(jì)算。

目前，“天河二號”的用戶已經(jīng)超過1200家，包括各大高校、研究所，支撐國家級課題超過400項(xiàng)。

2001年時，超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)名單中沒有一臺來自中國。而現(xiàn)在，榜單前兩名都被中國占據(jù)。此外，中國的上榜數(shù)量達(dá)到204，排名第二的美國只有143。

2015年，美國開始對中國超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域施行芯片禁運(yùn)，在那以前，美國對中國出口超級計(jì)算機(jī)也有諸多限制，例如出售的機(jī)器性能不能高于中國自己所能研發(fā)的機(jī)器性能。

張?jiān)迫嬖V記者，我國已經(jīng)掌握超級計(jì)算機(jī)的制造技術(shù)，包括“神威·太湖之光”“神威·藍(lán)光”的一系列設(shè)備，從芯片、操作系統(tǒng)到冷卻系統(tǒng)都完全由我國自主研發(fā)。

雖然中國在硬件條件上取得領(lǐng)先地位，但軟件方面仍需要大量的投入。目前應(yīng)用于超級計(jì)算機(jī)的商用軟件幾乎全部由美國、日本等國開發(fā)，中國的市場占有率基本為零。

“應(yīng)用于超算的生物信息學(xué)軟件開發(fā)起來舉步維艱?！壁w齊感慨，“人才缺口很大?！彼诘膶I(yè)，很多人都放棄使用“天河二號”，因?yàn)閷W(xué)習(xí)和溝通成本太高。他覺得，超算中心應(yīng)該做更多對超算技術(shù)的科普和培訓(xùn)。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，超級計(jì)算機(jī)不是熱門方向。李北辰的同學(xué)中，每年只有10％左右的同學(xué)對這個方向有興趣，多數(shù)人還是投身人工智能的研究。

在張?jiān)迫磥?，解決軟件問題需要政策和財(cái)政兩方面的支持?！拔鞣絿以诔泐I(lǐng)域多是制訂10－20年的計(jì)劃，背后有點(diǎn)軍備競賽的意思。但中國一直是制訂5年計(jì)劃，完成后再討論下一個5年要不要繼續(xù)。這樣規(guī)劃不夠長遠(yuǎn)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)也難以保持穩(wěn)定?！?/p>

他介紹，我國對超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的總投入與美國接近，但對軟件的投入偏低，目前僅占總投入的20％。他認(rèn)為，這個比例應(yīng)該到50％比較合適，美國、日本也是這個比例。

“美國對超級計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)超過了50年，而我國才剛剛30年，我們需要多一些耐心?！睆?jiān)迫f，“過去我們是跟在別人后面跑，就只顧得上追了?，F(xiàn)在我們超前了，該看清前進(jìn)的方向，這比追趕花功夫得多。”（王嘉興／中國青年報）