天河二號超級計算機系統

2010年11月16日，中國天河一號在世界超級計算機500強中位居第一。然而，僅在8個月之后，日本、美國的超級計算機就將天河一號“擠下擂臺”。2013年6月17日，第41屆世界超級計算機500強排名榜發布，天河二號以峰值每秒5.49億億次再次成為運算速度最快的超級計算機。

6月17日下午，湖南長沙，國防科技大學計算機學院天河樓一層。一個占地約720平方米的“黑色巨人”——天河二號超級計算機，正如往常一樣安靜地進行著它的運算任務。黑色面板上無數束藍色燈光隨著計算機的運行跳躍閃爍，遠遠望去就像是深邃太空中璀璨的銀河一般。

與此同時，正在德國東部城市萊比錫召開的2013國際超級計算大會上，這位“黑色巨人”卻吸引了來自全世界的目光。

當天，世界超級計算機TOP500組織正式發布第41屆世界超級計算機500強排名榜，國防科技大學研制的天河二號超級計算機，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優異性能，成為當今世界運算速度最快、綜合技術領先的超級計算機。這也是繼天河一號之后，中國超級計算機再次奪回世界第一的桂冠。

從一匹黑馬到世界引領者

時光回溯到2010年11月16日，國防科技大學研制的天河一號在世界超級計算機500強中位居第一，中國人首次站到了超級計算機世界冠軍的領獎臺上。

然而，8個月以后，日本一臺名為“京”的超級計算機就將天河一號擠下冠軍臺。之后，美國研制的“紅杉”、“泰坦”超級計算機先后坐上世界第一的交椅，天河一號排名滑落至第8名。

國外媒體的各種質疑紛至沓來：“天河一號只是一匹黑馬”、“中國的超算技術在世界領先只是曇花一現”。

面對來自世界超級計算機界的殘酷競爭，2011年12月，國防科技大學的天河團隊開始對新一代超級計算機的關鍵技術進行攻關。這一次，他們的目標是億億次級超級計算機，也就是說，計算能力要比天河一號提升10倍以上。

現在，橫空出世的天河二號不僅遠遠超過了天河一號，與上一屆世界冠軍美國“泰坦”超級計算機相比也是遙遙領先。天河二號計算速度是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，體積卻比它小了15%。

而天河二號的創新突破點，正是從天河一號的優勢與不足開始的，“這是一個自我反省、自我超越的過程。”天河二號工程副總指揮李楠研究員對《中國科學報》記者說。

世界TOP500組織專家、美國田納西大學教授杰克·唐加拉對天河二號的評價是：“中國元素、中國技術越來越多。”不僅如此，天河二號的體系設計已經成為超級機算機的一支重要流派，引領了世界超級計算機發展的潮流。

應用需求驅動的技術創新

體系結構是高性能計算機的“筋骨”。在天河一號研制中，國防科大研究人員在國際上首創了CPU＋GPU的異構融合計算體系結構。“這種結構最大的好處就是實現了超級計算機的低成本、低能耗、高性能。”李楠說，“但是在天河一號投入應用時，GPU的兼容性不強也給用戶帶來了一個小小的難題。”

天河一號所在的國家超算天津中心負責人、天河二號副總設計師朱小謙研究員對此深有感觸：“天河一號為國內外600多家用戶提供了超級計算服務，但是有些客戶的軟件與它不兼容，需要花相當一段時間對相關人員進行培訓，學習編程。”

天河二號團隊設計出的“異構多態體系結構”不僅繼承了一號CPU結合加速器的傳統，又增加了兼容性，實現了與客戶軟件的“無縫對接”。李楠解釋說：“這就意味著，所有在英特爾芯片上使用的軟件都能迅速在天河二號上運行，不需要再另外進行編程。”

“與美國、日本的超級計算機主要解決科學工程計算問題不同，在中國超級計算機是一個公共應用平臺，不僅被用來解決科學研究的問題，還關系國家經濟建設和社會發展。”天河二號工程總指揮、總設計師廖湘科研究員說，“天河二號主要應用于大科學、大工程以及產業升級和信息化建設領域。這就要求天河二號有更為高效的大數據處理能力、更高的吞吐率以及更高級別的信息安全服務。”

事實上，天河二號的幾大領先國際的創新亮點：異構多態體系結構、微異構計算陣列、高速互連以及新一代高性能通用CPU飛騰-1500都是在應用需求牽引下的技術創新。

“我們不僅要研制世界性能最高的超級計算機，而且要研制穩定可靠、應用廣泛的超級計算機，這是我們始終追求的目標。”朱小謙說。

科學“神器”離我們生活并不遙遠

據《中國科學報》記者了解，作為廣州超級計算中心的主機，天河二號今年下半年將在廣州安家。屆時，天河二號將為生物醫藥、新材料、工程設計與仿真分析、天氣預報、氣候模擬與海洋環境研究、數字媒體和動漫設計、智慧城市、電子商務、云計算和大數據分析等多個領域提供高效服務。以基因分析為例，華大基因利用自有計算機系統需要一年才能做出的500人規模全基因組信息關聯性分析，在天河二號上只需3個小時就能完成。

龐然大物、神秘高深，這或許是大眾對超級計算機的印象。然而，在李楠的眼中，超級計算機不僅僅是科學家探知未知世界與預知未來的魔法工具，更是與我們生活息息相關的“神器”。

“色彩絢麗、功能強大的納米材料服裝，優質高產、更加營養的糧食，城市智能交通管理，以及許多大家以前只能在科幻電影里看到的智慧城市場景，在天河二號的幫助下這些夢想都能實現。”李楠說。 （記者 鐘華 通訊員 王握文 蔣自成）