陳左寧

超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)值，除了對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)本身的貢獻(xiàn)以外，更重要的是在超級(jí)計(jì)算機(jī)的支撐下解決了重大科學(xué)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，促進(jìn)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，超級(jí)計(jì)算為解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)進(jìn)步、國(guó)家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題提供了不可替代的重要手段。

20世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)計(jì)算、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究一起成為研究世界的三大支柱。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力提出了越來(lái)越高的需求，超級(jí)計(jì)算機(jī)為解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)進(jìn)步、國(guó)家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題提供了不可替代的重要手段。

中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)

“十一五”“十二五”期間，我國(guó)通過(guò)部署多種國(guó)家級(jí)科技項(xiàng)目和資助計(jì)劃來(lái)推動(dòng)中國(guó)高性能計(jì)算能力的提升，成功研制出多臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，逐步形成了具有一定規(guī)模的國(guó)家級(jí)高性能計(jì)算服務(wù)環(huán)境，支撐了一批重大領(lǐng)域應(yīng)用。國(guó)家“863計(jì)劃”支持的“神威”“天河”“曙光”等超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列。

“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由科技部“863計(jì)劃”的“高效能計(jì)算機(jī)研制”重大項(xiàng)目支持，國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心承研，于2015年12月完成系統(tǒng)研制，落戶國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心。該系統(tǒng)是世界上首臺(tái)峰值運(yùn)行速度超過(guò)十億億次（125PFlops）的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也是我國(guó)第一臺(tái)全部采用國(guó)產(chǎn)處理器構(gòu)建的世界第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)，引領(lǐng)全球超級(jí)計(jì)算機(jī)邁入十億億次時(shí)代。

基于“神威·太湖之光”整機(jī)系統(tǒng)的大氣、海洋和材料領(lǐng)域的三個(gè)應(yīng)用入圍2016年國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)——戈登·貝爾獎(jiǎng)提名，其中大氣領(lǐng)域的“千萬(wàn)核可擴(kuò)展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬器”應(yīng)用最終摘取2016年度戈登·貝爾獎(jiǎng)，系中國(guó)團(tuán)隊(duì)30年來(lái)首次入圍并獲獎(jiǎng)，打破西方發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷。

中國(guó)的獲獎(jiǎng)引起了世界關(guān)注，美國(guó)《華爾街日?qǐng)?bào)》網(wǎng)站報(bào)道：“神威·太湖之光”的研制成功，以及中國(guó)系統(tǒng)保有量首次超越美國(guó)，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中超越了美國(guó)。同時(shí)，明確提出美國(guó)需要加大力度投資高性能計(jì)算，重新奪回在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)值，除了對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)本身的貢獻(xiàn)以外，更重要的是在超級(jí)計(jì)算機(jī)的支撐下解決了重大科學(xué)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，促進(jìn)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，超級(jí)計(jì)算為解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)進(jìn)步、國(guó)家安全等一系列重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題提供了不可替代的重要手段。

超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用需求

傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域是“高、精、尖”的前沿科學(xué)和工程研究領(lǐng)域，主要包括石油勘探、天氣氣候、海洋科學(xué)、航空航天、核爆模擬、武器研制、信息安全等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)計(jì)算密度有很高的要求，這里的計(jì)算密度指的是系統(tǒng)在一定體積和面積內(nèi)的計(jì)算能力，這也是網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算等大量分布式計(jì)算不能完全代替超級(jí)計(jì)算的原因。超級(jí)計(jì)算機(jī)在新興領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，如人工智能、深度學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥、基因工程、動(dòng)漫渲染、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)挖掘、金融分析、公共服務(wù)等。人工智能中的深度學(xué)習(xí)也屬計(jì)算密集型應(yīng)用，與傳統(tǒng)數(shù)值模擬應(yīng)用不同，該類問(wèn)題對(duì)單處理器的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)性能需求更高。

當(dāng)前的實(shí)際復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)向著多時(shí)空尺度、強(qiáng)非線性耦合和三維真實(shí)構(gòu)型的方向發(fā)展，包含著大量多尺度多模型的計(jì)算問(wèn)題，存在多粒度、多維度、多層次的并行性，面臨著全系統(tǒng)、全物理過(guò)程、真三維、自然尺度的計(jì)算模擬，對(duì)計(jì)算機(jī)的能力提出更高要求。在城市高分辨率空氣污染數(shù)值模擬中，基于“神威·太湖之光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用基于非結(jié)構(gòu)有限元方法和全隱全耦合非線性系統(tǒng)求解算法，完成了深圳市地王大廈周邊（網(wǎng)格分辨率達(dá)1米）大氣環(huán)境及空氣污染大規(guī)模并行瞬態(tài)模擬，常規(guī)模擬時(shí)間從1周縮短為5小時(shí)。在新藥研發(fā)領(lǐng)域，上海藥物所開(kāi)展的藥物虛擬篩選和疾病機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)了虛擬篩選大規(guī)模運(yùn)行，使用“神威·太湖之光”系統(tǒng)的32768個(gè)處理器在7分24秒內(nèi)完成451萬(wàn)個(gè)化合物分子和寨卡病毒蛋白的對(duì)接任務(wù)，是世界上速度最快的高通量藥物虛擬篩選系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外E級(jí)計(jì)算規(guī)劃

發(fā)展E級(jí)計(jì)算機(jī)，是實(shí)際應(yīng)用計(jì)算精度的需求和計(jì)算能力的體現(xiàn)。超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略層面的部署。E級(jí)計(jì)算，是指每秒完成10的18次方的浮點(diǎn)計(jì)算。

中國(guó)的“神威·太湖之光”建成之后，特別是中國(guó)連續(xù)8屆居于TOP500領(lǐng)先位置，加劇了各國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)將E級(jí)計(jì)算上升為國(guó)家戰(zhàn)略，奧巴馬總統(tǒng)于2015年8月簽署行政命令，要求加快E級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)進(jìn)度，以保持世界領(lǐng)導(dǎo)地位。美國(guó)能源部先后啟動(dòng)了多個(gè)研究計(jì)劃，投資10～14億美元，期待在2022年能夠提供能效比達(dá)50GF/W的E級(jí)系統(tǒng)。日本在2013年由文部科學(xué)省啟動(dòng)了E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)劃“post K”，這是京速計(jì)算機(jī)的后繼，預(yù)計(jì)2020年完成研發(fā)，擬投資13.8億美元，由Fujitsu、Hitachi和NEC負(fù)責(zé)系統(tǒng)構(gòu)建，安裝在日本理化研究所，系統(tǒng)能效達(dá)30-50GF/W。

我國(guó)科技部于2016年年初也啟動(dòng)了下一代E級(jí)計(jì)算機(jī)的研制計(jì)劃，支持國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心、國(guó)防科大、曙光公司3家單位在2018年6月完成E級(jí)系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)突破，并采用國(guó)產(chǎn)核心器件構(gòu)建小規(guī)模的原型系統(tǒng)?？萍疾繉?duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)評(píng)后根據(jù)情況支持一到兩家進(jìn)行E級(jí)系統(tǒng)建設(shè)，預(yù)計(jì)在2018年啟動(dòng)，2020年前后完成。

回看美國(guó)的研究計(jì)劃，他們首先研制一臺(tái)具有新型先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)的原型系統(tǒng)，目前該體系結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容仍在保密狀態(tài)，很可能不是經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)；2022年交付一套達(dá)到50GFlops/W能效比的E級(jí)系統(tǒng)；達(dá)到E級(jí)計(jì)算能力之后，很有可能在此基礎(chǔ)上研發(fā)出計(jì)算能力更高的超級(jí)計(jì)算機(jī)。反觀我國(guó)的情況，雖然我們現(xiàn)在的指標(biāo)看起來(lái)很高，但很可能的情況是我們的超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)面臨天花板問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)只能勉強(qiáng)支撐做到E級(jí)系統(tǒng)，繼續(xù)升級(jí)可能會(huì)遇到極大困難。因此我們沒(méi)有理由盲目樂(lè)觀，美國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略更值得我們觀察和思考。

建造E級(jí)計(jì)算機(jī)，我國(guó)在主要技術(shù)方面依然面臨重大的挑戰(zhàn)。首先是功耗墻問(wèn)題。“神威·太湖之光”的系統(tǒng)能效比約為6GFlops/W，未來(lái)構(gòu)建E級(jí)系統(tǒng)能效比需達(dá)到30GFlops/W，差距非常大，目前從工藝角度改變能效收益的程度越來(lái)越有限，功耗問(wèn)題越來(lái)越突出。其次是可靠性問(wèn)題?？煽啃灾饕蕾噯涡酒目煽啃裕S著集成電路的變化，單芯片的失效率越來(lái)越高，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響非常大，美國(guó)能源部認(rèn)為E量級(jí)系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間小于兩個(gè)小時(shí)，而兩個(gè)小時(shí)并不足以完成一個(gè)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。最后是應(yīng)用效率和可編程性問(wèn)題。在應(yīng)用問(wèn)題計(jì)算中，應(yīng)用問(wèn)題本身的算法已經(jīng)非常復(fù)雜，程序調(diào)試和調(diào)優(yōu)難度更大，而E級(jí)計(jì)算規(guī)模下算法本身很可能因?yàn)橛?jì)算量的增加而失穩(wěn)。此外在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，工程問(wèn)題需要考慮能夠獲取的工程條件和時(shí)間進(jìn)度要求，這也對(duì)軟件提出更高的要求。

E級(jí)超級(jí)計(jì)算時(shí)代即將到來(lái)，國(guó)內(nèi)同行要開(kāi)展全方位合作，在國(guó)產(chǎn)處理器、體系結(jié)構(gòu)、軟件和應(yīng)用方面做出更多更精彩的創(chuàng)新成果，為我國(guó)的崛起和騰飛作出更大的貢獻(xiàn)！