每秒鐘運算十億億次、百億億次的超級計算機,正在為人們生產生活服務

“超強大腦”運轉起來

日前,第六屆世界網際網路大會上釋出的《中國網際網路發展報告2019》顯示,中國網路資訊科技自主創新能力不斷增強,新一代百億億次(E級)超級計算機的原型機型研製完成。國家“十三五”高效能運算專項課題3個E級超算的原型機系統——神威E級原型機、“天河三號”E級原型機和曙光E級原型機系統也已全部完成交付。

日前,在紀念中國超級計算事業發展四十年暨國家超級計算天津中心成立十週年活動上,展示了“天河三號”百億億次原型機。毛振華 攝

超算,即超級計算或高效能運算,是計算機界“CROWN上的明珠”,也被視為科技突破的“發動機”。隨著應用的不斷開發與完善,超算服務著科學研究、產業發展的方方面面,成為解決人類難題的“超強大腦”。

超算在最尖端科研領域、最前沿產業領域取得一系列創新成果

“編號為颱風胚胎96W的熱帶雲團未來將緩慢向巴士海峽以東洋麵靠近,強度將略有加強,而颱風胚胎97W則可能在大洋深處向著西北方向移動……”10月16日,衛星雲圖上,一片片熱帶雲團正在西太平洋上活躍,超級計算機早已對臺風胚胎有所覺察,並在集合預報中對它們的動向給出了判斷。

“氣象領域計算機系統的建設與應用,提高了天氣氣候預報時效和為國家服務的水平。”中國工程院院士李澤椿說,上世紀80年代,中國建立首箇中期(十天)數值天氣預報業務系統,計算能力當時就成為能否實行業務數值預報的關鍵,只有能力足夠大的計算機才能把業務方案中複雜的物理過程計算好,才能在規定的時段內計算出預報結果。

從1983年中國第一臺每秒鐘運算一億次以上的“銀河一號”巨型計算機的研製成功,到曙光系列、天河系列、神威系列的相繼問世,中國成為世界上第三個具備研製高階計算機系統能力的國家。超級計算機成為高階資訊科技又一新的制高點,對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。

“超算技術不僅僅要放在實驗室裡面做理論研究,更重要的是與行業應用、客戶需求相結合,為經濟社會發展帶來價值。”聯想集團高階副Quattroporte童夫堯說。

目前,中國先後在天津、長沙、廣州等地建成6家國家級超算中心,在最尖端的科研領域——如大氣變化模擬、生命科學、天體物理的研究中,以及在最前沿的產業領域——如石油開採、新藥研發、工業模擬計算等課題中,取得了一系列創新成果。“天河一號”超級計算機已應用10年,是世界上連續穩定執行時間最長的超級計算機之一,它每天服務8000多個科研計算任務,累計支援國家科技重大專項和研發計劃超過1600項。新一代百億億次超級計算機“天河三號”原型機自2018年7月開放應用以來,目前已為30餘家合作單位完成了大規模並行應用測試。

“十三五”國家重點研發專項“高效能運算”總體專家組組長錢德沛認為,超級計算機的發展根本動力來自於需求。要研發一批關鍵的應用軟體,建立具有世界一流資源能力和服務水平的國家高效能服務環境,促進中國計算服務業發展。

大資料時代,“融合計算”成為超算應用的關鍵詞

隨著大資料、雲端計算和人工智慧等新興技術的蓬勃發展,“融合計算”成為超級計算應用的關鍵詞。

“進入大資料時代,對計算能力提出了非常高的要求。”中國石油東方地球物理研究院資料中心總工程師賴能和介紹說,石油勘探是超算應用的主要領域之一,超算堪稱“找油”利器。地球物理勘探技術相當於給地表“做CT”,產生的資料量可達到千萬億位元組(PB)級別。為了提升勘探精度,必須使用超算技術來處理海量的資料。

“超算與物理勘探技術實現了相互促進。如果沒有超級計算技術的話,物理勘探的很多演算法無法實現,更談不上高精度勘探、高精度成像。”賴能和說。

在汽車研發體系中,模擬計算扮演著關鍵角色,許多主流汽車廠商的整車研發過程大都通過超算模擬設計來完成,有效縮短研發週期,降低研發投入,提升產品的技術附加值。基於“天河一號”與雲端計算等技術的融合,國家超算天津中心構建了一個集高效能運算與視覺化分析處理於一體的汽車研發公共服務平臺。在中國科學院計算所所長孫凝暉看來,超算未來也會以雲端計算的方式來提供服務、走向使用者。基於人工智慧的高效能運算應用也呈加速態勢。在電力領域,模擬計算和人工智慧識別技術相結合,就能更加準確地模擬、預知雨雪冰凍災害對電網造成的破壞。聯想研究院企業雲和無線實驗室負責人黃瑩認為,傳統的高效能運算以高度的計算要求完成工作,“新的計算”要求人工智慧模型與高效能運算更好結合。

與人工智慧、大資料的融合發展,也將促進下一代超算的演進。“可以預見的是,這些新技術也會對未來超級計算機的體系結構產生影響。”錢德沛說。

從“制好”轉化為“用好”,讓超算真正“中看又中用”

今年6月,國際超級計算大會發布了全球超算500強最新榜單。中國境內有219臺超算上榜,上榜數量連續第四次位居第一;“神威·太湖之光”和“天河二號”繼續排在運算速度第三、第四位;聯想、浪潮和中科曙光3家中國企業分別以173臺、71臺和63臺的數量位居全球超算製造商前三位。

在執行應用方面,中國不僅實現了30年來國際高效能運算應用領域最高獎“戈登貝爾”獎零的突破,而且連續有專案入圍該獎項,逐步構建起相對完善的應用生態。在自主創新的支撐下,中國超算在應用方面展現出一定的實力。

不過,還要看到,國內超算的製造優勢與應用優勢不相匹配,“重技術、輕應用,重硬體、輕軟體”問題仍較為突出,資源不足和資源利用不充分的現象同時存在。國內科研機構、企業不少重要應用仍需採購國外昂貴的商業軟體,一些大型企業研發的應用軟體多數停留在自研自用層面,缺少產業化推廣。如何扭轉產業應用不夠的局面,將“制好”優勢轉化為“用好”優勢,是中國超算亟待解決的問題。

“用,不是簡單的用,而是要對機器效能、功能、使用方便性,包括需要什麼樣的系統軟體、應用軟體等提出要求,這些要求正是我們研製超級計算機的目的。”北京航空航天大學教授、聯想集團首席科學家祝明發指出,只有讓產學研用結合,才能有效帶動超算健康發展。

如何讓中國超算做到真正“中看又中用”?

超算用得好,首先要立足於自主創新。“自主可控不是一個可選項,而是唯一的出路。”錢德沛指出,“自主可控和開放合作並不矛盾,我們只有自身強,有過硬的技術,才有可能廣泛地開展合作。”

超算用得好,要加強對應用軟體研發的支援力度。錢德沛說,讓原本封閉使用的應用軟體“走出去”,讓成千上萬的人用起來,找到漏洞、進行改正,效率會提升,適配性、相容性問題也會進一步解決。

專家也指出,超算應用開發不足與配套人才較少直接相關,但目前培養高效能運算軟體人才的大學不多。應該立足行業,培養各類高效能應用軟體的開發及應用人才,特別是交叉型應用人才,積極拓展多種形式的學術界和產業界人才培養模式,補齊軟體人才短板。