日前，國際“Top500”在美國新奧爾良正式發(fā)布第36屆最新全球超級計算機500強排行榜，中國的“天河一號”位居榜首。連日來，“天河一號”奪取世界冠軍的消息吸引著全球媒體的眼球，也引發(fā)了人們對超級計算機的關(guān)注。
“天河一號”以峰值速度4700萬億次、持續(xù)速度2566萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能位居世界第一，實現(xiàn)了從“亞洲第一”向“世界第一”的重大跨越。
互聯(lián)芯片自主研發(fā)
全球之所以高度關(guān)注這次排行榜的變化，就是因為“天河一號”體現(xiàn)了我國的三大自主創(chuàng)新。
其一，部分芯片屬于自主開發(fā)，芯片有望國產(chǎn)化。盡管“天河”的主要部件仍來自英特爾與英偉達兩個美國制造商，但互聯(lián)芯片則完全是中國自主研發(fā)，“天河”安裝有由中國自主研發(fā)的“飛騰1000”芯片，部分取代了進口芯片，為全部國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。
其二，設(shè)計構(gòu)架屬于中國獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)。從傳統(tǒng)上看，超級計算機由成千上萬塊家用電腦的CPU(核心計算芯片)組裝而成；這些CPU必須在系統(tǒng)軟件和通信器件的協(xié)調(diào)紙下，才能充分發(fā)揮合力，否則就是一盤散沙。隨著超級計算機從“百萬億次”進入“千萬億次”，類似計算機“大腦”的CPU越來越多，協(xié)調(diào)難度也越來越大。
而“天河一號”采用先進的“CPU+GPU”的設(shè)計思路，將GPU(圖形芯片)用于超級計算機，起到了“CPU加速器”的作用。目前，這種先進的技術(shù)路線還在探索階段，但前景看好。中國依靠這條技術(shù)路線開發(fā)出排名第一的“天河一號”，已經(jīng)很有說服力。
其三，軟件操作系統(tǒng)不再受制于人。“天河”采用了與其他超級計算機操作系統(tǒng)不同的“麒麟”系統(tǒng)，這也是中國國防科大自主開發(fā)的，以高安全性著稱，它就像到銀行租個保險箱，鑰匙與密碼都掌握在自己手上，避免受制于人，確保了“天河一號”的信息始終自主可控地掌握在自己手中。
“中國速度”震驚美國
縱觀今年的榜單，中國無疑是進步最大的國家。過去17年里，中國只有兩臺計算機曾入圍“Top500”年末前10，而且都是第10名。去年，中國還只有21臺計算機入圍全球前500名，位居美、英、德、法之后，今年增加到了41臺，總量僅次于美國，排名第二。
過去一年間，全球前500快計算機的運算能力總和，增幅僅為56%。中國超級計算機的進步，體現(xiàn)了中國國家實力增長，是中國實力的一個縮影。全球超級計算機排行榜編撰人之一、美國田納西大學(xué)計算機學(xué)教授唐加拉說，中國“天河一號”將一度位列第一的美國“美洲虎”遠遠地甩在身后。
在16日排名正式公布前，美國媒體就已經(jīng)高度關(guān)注“天河一號”的消息?！度A爾街日報》援引美國計算機專家的話稱：“毫無疑問，‘天河’是高性能計算領(lǐng)域游戲規(guī)則的改變者，這是一個轉(zhuǎn)折點，標志著經(jīng)濟競爭力從西方轉(zhuǎn)向東方。”在美國11月中期選舉前后，美國總統(tǒng)奧巴馬多次在講話中提到，現(xiàn)在不僅世界上速度最快的火車在中國，中國還制造出了世界上速度最快的超級計算機。美國弗吉尼亞理工學(xué)院一位計算機專家稱，這意味著美國在這一技術(shù)領(lǐng)域的支配權(quán)已經(jīng)動搖。
在中外媒體與專家的分析看來，超級計算機技術(shù)原本是美國傳統(tǒng)的“優(yōu)勢項目”，如今正被中國超趕，這無疑讓美國感到警惕與震驚。在超級計算機研制領(lǐng)域，中國的發(fā)展速度給世人留下了極深刻的印象。在過去十年間，中國在超級計算機全球排名榜上的位置穩(wěn)步上升。
超級計算機：大國競爭的焦點領(lǐng)域
對各國來說，超級計算機是“計算機領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰”，類似稱謂還有高性能計算機、高效能計算機等。從全球看，超級計算機領(lǐng)域的競爭十分激烈，過幾年就有新的巨型機投入使用，排名變化很快，它是各國尤其是大國必爭的戰(zhàn)略制高點，甚至是一個國家綜合實力與技術(shù)實力的主要體現(xiàn)。
中國：搶占高科戰(zhàn)略制高點
上世紀90年代初，中國的超級計算機幾乎全是進口產(chǎn)品，科研機構(gòu)要在外國人的現(xiàn)場監(jiān)控下使用進口計算機。近年來，中國逐步探索出了一條適合國情的發(fā)展超級計算機的新路子，“中國制造”不斷縮小與發(fā)達國家的差距，在一些技術(shù)領(lǐng)域甚至處于世界領(lǐng)先地位。入圍世界前500名排名中，中國以41臺機器的占有數(shù)量，超過日本、法國、德國和英國，成為超級計算機的第二大使用國?！都~約時報》稱，中國正在由一個超級計算機領(lǐng)域的“后起者”向“超級大國”轉(zhuǎn)變。
“天河一號”的運算速度達到世界領(lǐng)先水平，其意義遠遠超過計算機本身，這意味著超級計算機被美日壟斷的局面已被打破，這是中國科技迅猛發(fā)展的重要標志。對我國來說，類似“天河一號”這樣的超級計算機，在消除我國安全威脅、提高我國產(chǎn)業(yè)的自主設(shè)計能力和核心競爭力等方面有不可替代的作用。
美國：試圖超越“天河一號”
對中國“天河一號”占據(jù)世界第一的說法，美國著名計算機設(shè)計師沃利奇表稱，世界不會停止腳步，中國的趕超只是暫時情況。美國在失去“世界最快計算機擁有者”稱號之后，會加大超級計算機方面的研究。
有媒體稱，目前已有五個計劃或正構(gòu)建的超級計算機系統(tǒng)，其運算能力將會超越“天河一號”，這些正建造的超級計算機大多數(shù)都集中在美國。美國正在開發(fā)的一套名為“藍水”的計算機系統(tǒng)，使用的是IBM公司的Power 7多核處理器，每秒持續(xù)運算速度能達1000兆次，最高可達10000兆次。此外，美國橡樹嶺國家實驗室正在研制內(nèi)置加速器的超級計算機，研制成功后計算能力有望達20千萬億次，預(yù)計在2012年研制完成，其速度將近“天河一號”10倍。
日本：曾把美國擠下“頭把交椅”
在研發(fā)超級計算機方面，日本屬于起步較早的國家之一。自上個世紀90年代起，日本意識到超級計算機研發(fā)是提高其國際競爭力的重要一環(huán)，不斷推出和更新超級計算機的研發(fā)計劃。
1999年，日本投入400億日元(約人民幣25億元)，開始名為“地球模擬器”的超級計算機研發(fā)，旨在通過在計算機內(nèi)置“虛擬地球”預(yù)測及解析整個地球大氣、地殼、地震等活動為目的。2002年，“地球模擬器”成功推出，將一直獨占鰲頭的美國擠下了“頭把交椅”。
之后，由于預(yù)算資金削減原因，日本超級計算機的研發(fā)目的發(fā)生了轉(zhuǎn)向，原由政府主導(dǎo)型的超級計算機研發(fā)政策，開始向產(chǎn)學(xué)一體化、為民生提供更多貢獻的方向發(fā)展。目前，日本為外界所知的核心項目是10千萬億次級的超級計算機系統(tǒng)，預(yù)計2012年問世。
歐洲：20國參與斥資數(shù)億歐元
歐洲采取了“化零為整”的聯(lián)合手法，共同打造“超超級”計算機。今年6月，投資數(shù)億歐元、有20個國家參與的連接多臺超級計算機、每秒速度達百萬兆次的超級計算機合作平臺計劃，在西班牙巴塞羅那啟動。此計劃旨在通過建立一個連接歐洲各種計算資源的基礎(chǔ)設(shè)施，增強歐洲的超級計算能力。
10月25日，法國原子能委員會舉行了大型計算中心揭幕儀式。大型計算中心坐落在法國北部的埃松省，總面積6500平方米，主要用途就是安放由歐洲多國共同研制的“居里”超級計算機，它可進行每秒超過1000萬億次的運算，相當于15萬臺筆記本電腦工作量的總和，將于2011年底正式投入運行。
俄羅斯：打造最高運算性能密度
2010年3月，俄羅斯方面透露，國立莫斯科大學(xué)正籌建一套最大性能超每秒千萬億次浮點運算的超級計算機，會殺進TOP500排行榜前三甲，甚至還有望拿下第二位。
與此同時，今年9月，俄羅斯還展示了最高密度Tesla超級計算機，號稱可實現(xiàn)全球最高的運算性能密度，在小空間內(nèi)實現(xiàn)萬億次計算解決了占地空間大、造價高等缺點。
印度：有潛在實力再造佳績
目前，印度也是世界上為數(shù)不多幾個自主擁有超級計算機的國家，它以低廉的成本，研制出了高品質(zhì)和具備高速運算能力的超級計算機。2007年，全球“超級計算機500強”排行榜中公布，印度首次有超級計算機打入世界第4位。
盡管目前500強中印度只占有4席，但印度的IT產(chǎn)業(yè)為世界所稱道，它依然有強大的潛在實力再造佳績。
專家提醒“保持冷靜”
在承認中國在超級計算機研發(fā)進步速度飛速、自主研發(fā)能力提高的同時，專家也在提醒“保持冷靜”：就整體優(yōu)勢而言，美國依然占據(jù)第一梯隊，我國也只是在第二梯隊中占據(jù)領(lǐng)先地位。在專家看來，衡量一個國家在超級計算領(lǐng)域的實力，速度并非唯一指標，更重要的是看應(yīng)用能力。
其一，應(yīng)用程度遠低于美國等發(fā)達國家。據(jù)悉，自2007年7月“天河一號”系統(tǒng)正式上網(wǎng)投入使用后，目前已有石油勘探、高端裝備制造、生物醫(yī)藥、動漫設(shè)計等方面為20多家用戶提供服務(wù)。在我國，核心的工業(yè)界尚未掌握運用超級計算機的能力；在國外，超級計算的用戶，都是波音、福特汽車等大型、一流的企業(yè)。
其二，應(yīng)用軟件開發(fā)難度大。大型應(yīng)用軟件，從來是中國超級計算機發(fā)展的一塊短板。“軟件說到底是一種文化。Windows操作系統(tǒng)的生態(tài)鏈非常豐富，為它開發(fā)軟件的人很多。但‘麒麟’系統(tǒng)還沒有形成生態(tài)鏈，所以使用性就會不足。”“天河一號”常務(wù)副總設(shè)計師、國防科大計算機學(xué)院院長廖湘科表示。專家表示，要用好“天河”這樣的超級計算機，必須在每個專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域——工業(yè)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)仿真、生命科學(xué)等都開發(fā)出專門的應(yīng)用軟件。而在我國，這類軟件的自主研發(fā)能力不足，要依賴進口，國外對這些軟件的出口往往采取限制措施。
其三，超級計算機的核心部件還是由美國制造。比如，“天河一號”中7168個GPU都是美國英偉達公司生產(chǎn)。入圍世界前500名的41部中國超級計算機之中，其中40部使用英特爾的處理器，還有一部采用了AMD的處理器。而我們的鄰國日本富士通公司正建造的一臺超級計算機，則完全依靠日本自己的技術(shù)。
數(shù)字解讀“天河一號”
1、投入力量
直接參與“天河一號”研發(fā)的科技人員有200多人，平均年齡為36歲；投資為6億人民幣，使用壽命預(yù)計為10年。
2、運算速度
“天河一號”峰值運算速度為每秒4700萬億次。做個換算對比：“天河一號”運算1小時，相當于13億人同時計算340年以上。
3、存儲容量
“天河一號”存儲容量為兩千萬億個字節(jié)。做個換算對比：“天河一號”可在線存儲一千萬億個漢字，相當于存儲100萬漢字的書籍10億冊。
4、總功耗和能效
“天河一號”滿負荷運行的總功耗是4.04兆瓦，每小時耗電4040度，24小時滿負荷工作耗電接近10萬度。
這個數(shù)字看起來很大，但實際上它是一臺節(jié)能、綠色的超級計算機，對能量的利用率很高。
“天河一號”每瓦特能耗可實現(xiàn)每秒635.15百萬次浮點運算，這個能效值僅低于目前能效排名世界第一的IBM“藍色基因”。
5、安全性
“天河一號”具有高安全性的特點，其操作系統(tǒng)軟件是國防科技大學(xué)自主研制的“麒麟操作系統(tǒng)”，是目前國內(nèi)安全等級最高的操作系統(tǒng)，國內(nèi)唯一通過中國公安部B2級認證的操作系統(tǒng)(B2級是目前最高安全等級)。
因此，“天河一號”的安全性有良好保障。
6、體積和重量
“天河一號”由140個機柜組成，每個機柜1.45米寬、1.2米深、2米高，排成13排，這個方陣占地約700平方米，總重量約160噸。站在“天河一號”前，會覺得“天河一號”氣勢宏偉、震撼人心。
但實際上，“天河一號”在世界上已有的千萬億次超級計算機中(多數(shù)占地近千平方米)，可謂是一個身材苗條的“小個子”。
超級計算機“十”大用途
各國競相追求的超級計算機，到底能夠做些什么呢？
很顯然，日常經(jīng)濟、科技、國防等領(lǐng)域存在一系列復(fù)雜、大型的問題，都建立了越來越精細的物理模型，都需要計算機求解。
最復(fù)雜、最大型的一類被稱為“挑戰(zhàn)性問題”，必須依賴同時代中運算速度最快的“超級計算機”。
1.氣候預(yù)測：借助超級計算機預(yù)測氣候變化，從而減輕氣候變化給人類帶來的破壞。
2.交通業(yè)：超級計算機可用來認識和改進汽車、飛機或輪船等交通工具的空氣流體動力學(xué)、燃料消耗、結(jié)構(gòu)設(shè)計、防撞性，并幫助提高乘坐者舒適度、減少噪音等，所有這些都具有潛在的經(jīng)濟和安全收益。
3.生物信息學(xué)和計算生物學(xué)：生物學(xué)已經(jīng)顯示出巨大的計算需求，超級計算機將幫助尋找疾病治療的革命性方法。
4.社會健康與安全：比如，污染、災(zāi)難規(guī)劃以及針對本地和國家基礎(chǔ)設(shè)施進行的恐怖主義活動等。
5.地震：對地震的模擬能幫助人類探索地震預(yù)測方法，從而減輕與地震相關(guān)的風險。
6.地球物理探測和地球科學(xué)：比如石油的勘測問題，這類問題具有潛在和巨大的經(jīng)濟效益。
7.天體物理學(xué)：模擬時間進程并加速這種模擬的進程，從而對天體的演變進行建模和理論試驗。
8.材料科學(xué)與計算納米技術(shù)：對物質(zhì)和能量的模擬是計算密集型的。
9.人類/組織系統(tǒng)研究：比如對大量人口的行為進行模擬。
10.模擬核試驗：借助于超級計算機的強大而且快速的運算能力，在實驗室實施的亞臨界核試驗，與真正核試爆的效果是相同的。
超級計算機中國大事記
1992年國防科技大學(xué)研制出“銀河II”通用并行巨型機，峰值速度達每秒10億次。
1993年中國研制成功“曙光一號”全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標準Unix操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的并行計算機。
1995年曙光公司又推出了曙光1000，峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。
1997年國防科技大學(xué)研制成功“銀河Ⅲ”百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒130億次浮點運算。
1999年成功研制的“神威Ⅰ”計算機，峰值運算速度達每秒3840億次。
2004年各方共同研發(fā)制造的曙光4000A實現(xiàn)了每秒10萬億次運算速度。
2008年“曙光5000A”實現(xiàn)峰值速度230萬億次、Linpack值180萬億次，“曙光5000A”可以完成各種大規(guī)?？茖W(xué)工程計算、商務(wù)計算。
2009年10月29日中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生。
2010年5月31日曙光“星云”以Linpack值1271萬億次，在第35屆全球超級計算機500強排名中，列第二位。
2010年11月16日經(jīng)過全面系統(tǒng)升級的“天河一號”在第36屆500強排名中奪魁。