“天河二號”計算機界的速度之巔

11月18日，國際TOP500組織公布了最新的全球超級計算機500強排行榜榜單，中國國防科學技術大學研制的“天河二號”超級計算機以比第二名美國的“泰坦”快近一倍的速度再度輕松登上榜首。

這是繼今年6月“天河二號”以每秒33.86千萬億次的持續計算速度奪冠后，中國超級計算機再次蟬聯世界第一寶座。

“天河二號”速度計算

“天河二號”內存總容量1400萬億字節，存儲總容量12400萬億字節，最大運行功耗17.8兆瓦。相比此前排名世界第一的“泰坦”，“天河二號”每秒33.86千萬億次的持續計算速度約是其2倍，計算密度(單位面積上的計算能力)是其2.5倍，能效比相當。與2010年11月獲得TOP500第一的“天河一號”相比，“天河二號”峰值計算速度和持續計算速度均提升10倍以上，計算密度提升了10倍以上，系統能效比(單位能耗的計算速度)是“天河一號”的3倍。

“打個比方，‘天河二號’運算1小時，相當于13億人同時用計算器計算1000年，其存儲總容量相當于可存儲每冊10萬字的圖書600億冊。”“天河二號”副總設計師胡慶豐研究員通俗地解釋說。

超級計算機是世界高技術領域的戰略制高點，是一個國家科技競爭力和綜合國力的重要標志。這就要求科技人員在展開研究時，開展瞄準國際前沿的自主創新，用自主創新推動中國超級計算機的跨越式發展。

“中國創造”在“天河二號”上比比皆是，涌現了多個國際領先和國際先進——基于自主通信接口芯片和互連交換芯片設計實現了光電混合的自主定制高速互連系統，性能是當前國際上最先進的商用互連系統的兩倍，繼續保持國際領先地位;采用綜合化的能耗控制機制，能效比進入國際先進行列;設計實現了基于背板前后對插、水平盲插的高密度高精度組裝結構，使得“天河二號”的計算密度處于國際領先水平……以高密度高精度結構工藝為例，“天河二號”共170個機柜，占地面積與“天河一號”基本相同，但性能卻是它的11.6倍;而與“泰坦”相比，占地面積是它的85%，性能是它的2倍。

世界超級計算機的發展歷程表明，計算能力每提高一個量級，都需要體系結構的創新和一系列關鍵技術的新突破。在“天河一號”研制中，科研人員首創了CPU+GPU的異構融合計算體系結構，引領了世界超算的發展方向。

“超級計算機研制難，用好更難。這是國際超算領域的普遍認識。”“天河二號”副總設計師朱小謙研究員介紹說，“天河二號”研制中，他們認真分析總結了“天河一號”的研制與應用經驗，對市場需求進行了深入調研。

早在幾年前，技術人員們利用“天河一號”就已經渲染制作了國產電影《關云長》、新版電視劇《西游記》以及美國電影《生化危機2》等。這只是超算應用在老百姓生活中的一個縮影。如今，“天河二號”已應用于生物醫藥、新材料、工程設計與仿真分析、天氣預報、智慧城市、電子商務、云計算與大數據、數字媒體和動漫設計等多個領域，還將廣泛應用于大科學、大工程、信息化等，為經濟社會轉型升級提供重要支撐。

中國計算機發展史

談到中國發展超級計算機的主要挑戰時，唐加拉說，中國現在要做的是開發自主的芯片技術，“這樣整個計算機都將是用中國的零部件制造”。

在最新榜單上，美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的“泰坦”以每秒17.59千萬億次的運算速度位居第二。第三名至第五名分別是美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的“紅杉”、日本理化研究所的“京”、美國阿爾貢國家實驗室的“米拉”。整個前十名唯一的“新人”是瑞士國家計算中心的“代恩特峰”，它以每秒6.27千萬億次的速度奪得第六名。“代恩特峰”是歐洲最快的超級計算機，在前十名中能效最高。

從整個榜單來看，美國進入前500強的超級計算機從上次的253個增至本次的265個，優勢更加明顯。中國大陸則從65個降至63個，但仍占據第二名。日本以28個位列第三。英國、法國和德國分別以23個、22個和20個位列第四至第六位。

超級計算機是國家科研的重要基礎工具，在地質、氣象、石油勘探等領域的研究中發揮關鍵作用，也是汽車、航空、化工、制藥等行業的重要科研工具。TOP500是對全球已安裝的超級計算機“排座次”的最知名排行榜，從1993年起，由國際TOP500組織以實測計算速度為基準每年發布兩次。