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超算的真正較量:美國重登第一,中國怎么辦?

2018年06月29日 07:25 | 來源:科技日?qǐng)?bào)
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6月25日,在德國法蘭克福舉行的2018國際超算大會(huì)上,最新一期Top500全球超算排行榜正式發(fā)布,美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit,以峰值計(jì)算性能每秒20億億次(200 PFlops)的速度登頂全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。

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資料圖:超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“天河一號(hào)”。中新社發(fā) 宗金柱 攝

中國的天河二號(hào)和神威·太湖之光讓出了已經(jīng)占據(jù)5年的第一。不過,在業(yè)內(nèi)人士看來,Summit已經(jīng)比預(yù)計(jì)的日期延后了一年,而中國并非不能造出200 PFlops的機(jī)器,只不過各自有既定發(fā)展節(jié)奏。爭奪世界最強(qiáng)計(jì)算機(jī)固然重要,但超算的真正較量,絕不是看誰是第一那么簡單。

中看更中用

付昊桓記得這么一個(gè)故事。2010年的11月,天河1A首次成為世界最快。中國超算界專家都很高興,畢竟“最快”這個(gè)榮譽(yù),幾十年來由美日壟斷。

不過,大會(huì)現(xiàn)場有美國專家發(fā)問,中國現(xiàn)在有實(shí)力構(gòu)建全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī),但是否能用最快的機(jī)器來解決最頂尖的科學(xué)或者工程問題?在這位專家的眼中,這臺(tái)龐然大物也許是“中看不中用”。

雖然尖銳刺耳,但的確反映了一個(gè)事實(shí):造出最快的計(jì)算機(jī)固然不錯(cuò),能否真正發(fā)揮作用才是根本。

也差不多那個(gè)時(shí)候,付昊桓從斯坦?;氐搅饲迦A地球系統(tǒng)科學(xué)系,聽說了這段故事。當(dāng)時(shí),天河1A采用的是英特爾的處理器和英偉達(dá)的GPU加速器,在上面跑大型的應(yīng)用程序也才剛剛起步。

“我回到清華后的第二年,也就是2011年的時(shí)候,我們幾個(gè)人慢慢結(jié)識(shí),先是認(rèn)識(shí)了薛巍老師,然后是楊超老師?!备蛾换刚f。

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的薛巍教授此前從事電力電網(wǎng)研究,之后又?jǐn)U展到氣候模擬等其他應(yīng)用領(lǐng)域。中國科學(xué)院軟件研究所楊超研究員則從事計(jì)算數(shù)學(xué)的研究。付昊桓那時(shí)正對(duì)新的計(jì)算架構(gòu)著迷?!耙?yàn)樘旌?A是CPU加GPU,主要的計(jì)算力由GPU加速器來提供。所以要把它高效用起來,就得把GPU用好了。我們當(dāng)時(shí)就組了一個(gè)團(tuán)隊(duì),想把這個(gè)機(jī)器用起來,解決大氣模擬的問題?!备蛾换刚f。

從天河1A開始,短短幾年內(nèi),中國先后推出一系列超級(jí)計(jì)算機(jī),不斷刷新“最快”紀(jì)錄:“神威藍(lán)光”“天河二號(hào)”“神威·太湖之光”,從2013年6月算起,中國的超算已占據(jù)TOP500榜單第一位置5年之久,并于2016年和2017年,兩獲“戈登·貝爾”獎(jiǎng)。付昊桓現(xiàn)為清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授、國家超級(jí)計(jì)算無錫中心副主任。

2016年,在一份報(bào)告中,美國國家安全局和能源部認(rèn)為,中國超算已經(jīng)和美國接近并跑,對(duì)其國家安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、超算行業(yè)等造成威脅,若再不加大投資,尋求改變,美國將失去其領(lǐng)導(dǎo)地位。

而今,再不會(huì)有人認(rèn)為中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)只是個(gè)龐然大物。最強(qiáng)超算的爭奪,已經(jīng)成了中美日等少數(shù)國家之間的競爭。6月25日,美國Summit正式重回第一。不過業(yè)內(nèi)清楚,擁有第一強(qiáng)的機(jī)器僅僅只是超算較量的一步。

打造完善的生態(tài)系統(tǒng)

利用太湖之光,付昊桓希望為研究地震發(fā)生機(jī)制提供更為準(zhǔn)確的模擬平臺(tái),同時(shí)為抗震防震提供量化評(píng)估工具。模擬唐山大地震之后,下一個(gè)更艱巨的目標(biāo)是汶川地震。

付昊桓的團(tuán)隊(duì)打算運(yùn)用超算模擬汶川地震的震源產(chǎn)生、地震波傳播過程,針對(duì)特定區(qū)域完成基于地震過程情景模擬的震害預(yù)測,量化評(píng)估地震強(qiáng)度及震害分布。精確的模擬,對(duì)于降低與預(yù)防地震災(zāi)害所帶來的巨大損失,以及開展地震高發(fā)區(qū)的合理規(guī)劃與設(shè)計(jì),均可發(fā)揮重大作用。

付昊桓的團(tuán)隊(duì)打算與成都理工大學(xué)研究山體滑坡的團(tuán)隊(duì)合作,研究地震會(huì)不會(huì)觸發(fā)山體滑坡,會(huì)觸發(fā)什么樣的山體滑坡。此外也與建筑防震專家合作,將地震的模型與建筑的模型連接起來,研究發(fā)生地震后會(huì)對(duì)建筑造成怎樣的損害?!跋衩绹又莸貐^(qū)也是地震頻發(fā),那里人們買房子都要購買地震保險(xiǎn)。而每棟房子保險(xiǎn)的定價(jià),背后依靠的就是基于地震模擬的量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?!备蛾换附榻B說,地震相關(guān)產(chǎn)業(yè)服務(wù)離不開精確的模擬。

除了科學(xué)方面的用戶,各個(gè)超算平臺(tái)也接納了不少企業(yè)用戶——他們想設(shè)計(jì)新型的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶,還有風(fēng)力發(fā)電的渦輪機(jī)葉片。超算已成為支撐智能制造,提升經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的重要一環(huán)。

超算平臺(tái)大量的投資希望換回更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。無錫市希望通過超算平臺(tái)吸引從事人工智能、智能制造、工業(yè)大數(shù)據(jù)的企業(yè)和研究人員,其建立的超算產(chǎn)業(yè)園,也希望能惠及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

國家超級(jí)計(jì)算無錫中心主任楊廣文利用一切機(jī)會(huì)推介神威·太湖之光。在去年的一個(gè)論壇上,他懇切地說:“超算大家聽上去是高大上的,也是國家戰(zhàn)略,但是否會(huì)把它做成一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的(產(chǎn)業(yè))?超算人也想成功?!?/p>

在前述的美國國家安全局和能源部的報(bào)告中,也認(rèn)為中國超算將威脅美國經(jīng)濟(jì):“高性能計(jì)算領(lǐng)導(dǎo)地位的損失潛在地威脅到已經(jīng)重度使用高性能計(jì)算的行業(yè)內(nèi)的美國公司。這些行業(yè)包括汽車、航空航天、先進(jìn)制造、石油勘探、制藥研究、金融等。這些行業(yè)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)具有強(qiáng)的競爭性,因此美國競爭力的些許損傷(例如,如果中國用其高性能計(jì)算領(lǐng)導(dǎo)地位為其國內(nèi)產(chǎn)業(yè)提供廉價(jià)甚至免費(fèi)的計(jì)算能力)就會(huì)轉(zhuǎn)化成更大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同樣也會(huì)帶來重大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn):如果一家制藥公司的藥品開發(fā)在海外進(jìn)行,那么IP泄露在多大程度上會(huì)阻礙美國的競爭力?”

而對(duì)于中國,有些行業(yè)也發(fā)展到了一定程度,必須自行開發(fā)軟件?!帮w機(jī)、高鐵還主要是依賴國外的商用軟件在進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,下一步我們希望基于‘神威’的平臺(tái),特別是和這些應(yīng)用單位深入合作去做我們自主工業(yè)仿真和設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)?!备蛾换刚f。

從采用國產(chǎn)的處理器,到編譯器、操作系統(tǒng)、各種計(jì)算庫、開發(fā)框架,中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)試圖構(gòu)建一套自己的生態(tài)系統(tǒng),而要真正進(jìn)入良性的發(fā)展還依賴于用戶的使用和反饋,他們是超算社群至關(guān)重要的一環(huán)。

期待整個(gè)青藏高原

2015年4月9日,美國商務(wù)部發(fā)布公告,禁止向中國的4家國家超算中心出售英特爾“至強(qiáng)”芯片。有外界評(píng)論認(rèn)為,禁運(yùn)可能和天河二號(hào)多次占據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)高性能榜首有關(guān)。緊接著2015年年底,中國推出神威·太湖之光,且使用的是全國產(chǎn)芯片。

不過,這兩件事情之間僅僅是一種“巧合”。此前的“神威藍(lán)光”就已經(jīng)采用了全國產(chǎn)芯片,神威·太湖之光從開始設(shè)計(jì)之初就是全國產(chǎn),不過是按照預(yù)期的進(jìn)度推出而已。

這恰如此次美國Summit的推出,都是意料中事。“200P、300P我們其實(shí)是可以造出來的,只是規(guī)劃節(jié)奏不一樣。”付昊桓解釋。

目前,世界各國正準(zhǔn)備建造下一代E級(jí)計(jì)算機(jī)(100億億次)。為何建造E級(jí)計(jì)算機(jī),TOP500發(fā)起人、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室及田納西大學(xué)Jack Dongarra教授在上個(gè)月南昌舉辦的ASC會(huì)議期間說:“不是我們要造下一代計(jì)算機(jī),而是科學(xué)家提出了更困難的挑戰(zhàn),更難的問題(需要這樣的計(jì)算機(jī)),E級(jí)的計(jì)算機(jī)只是我們發(fā)展中間跨越的一個(gè)障礙物,以后還會(huì)有更高量級(jí)的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)?!?/p>

中國目前有三家機(jī)構(gòu)正在獨(dú)立研發(fā)E級(jí)計(jì)算機(jī),預(yù)計(jì)于2020年推出。而中國超算更為重要長遠(yuǎn)的任務(wù),也許是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。

“單純從超算而言,無論是硬件系統(tǒng),還是部分領(lǐng)域的軟件應(yīng)用,中國都已經(jīng)有和美日比肩的突破性成果。但要能夠?qū)Τ惚澈蟮闹T多產(chǎn)業(yè)都能形成一個(gè)正面的反饋,還需要較長時(shí)間。比如基于超算的天氣及氣候預(yù)測、工業(yè)設(shè)計(jì)和仿真、新材料的制備、新藥研發(fā)等等,任何一個(gè)行業(yè)與超算硬件及軟件的融合,都能產(chǎn)生巨大的產(chǎn)業(yè)提升。我們現(xiàn)在有了超算技術(shù)的突破,下一步應(yīng)該期待如何實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)的輻射和支撐?!备蛾换刚f。

對(duì)于中國的超算來說,現(xiàn)在有了一個(gè)珠穆朗瑪峰,下一步或許應(yīng)該期待整個(gè)青藏高原。(作者系“知識(shí)分子”公號(hào)主筆)

編輯:曾珂

關(guān)鍵詞:超算的真正較量

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