中国最强计算机

中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生之际，计算机专家对这台全方位的结构、特点与功能进行了全方位解读。 “天河一号”的诞生，是中国战略高技术和大型基础科技装备研制领域取得的重大创新成果，实现了中国自主研制超级计算机能力从百兆次到千兆次的跨越。
2008年9月下线的中国第一台超百万亿次超级计算机“曙光5000A”，运算峰值速度为每秒230万亿次。一年后，随着“天河一号”研制成功，中国高性能计算机的峰值性能提升到了每秒1206万亿次。  

这个数字意味着，“天河一号”计算一天，一台配置Intel　双核CPU、主频为2.5GHz的微机需要计算160年。就共享存储总容量而言，“天河一号”的存储量相当于4个藏书量为2700万册的国家图书馆。

“我听到‘天河一号’研制成功的消息时很震惊，我们原来预计千万亿次的计算机要到2010年底才在中国出现。”中国科学院软件所研究员张云泉说，“这是我国高性能计算机发展史上新的里程碑。”

高性能计算机又称巨型计算机或超级计算机。在超级计算机不断提高运算速度的过程中，千万亿次是一个难以逾越的“瓶颈”。

美国早在上个世纪90年代就提出了做千万亿次巨型计算机的目标，直到2007年才实现。截至2009年6月，世界上仅有3台千万亿次的计算机。


“国际计算机界认为，从百万亿次提升到千万亿次是一个质的变化，不可能通过单纯扩大规模来实现，而是需要体系结构上的改变。”国防科技大学教授窦文华说，“天河一号”采用了全新的多阵列可配置协同并行的体系结构，从而实现了系统性能的提升。

窦文华认为，这种体系结构具备构建下一个量级即万万亿次计算机的能力，将会成为下一代高新计算机的主流结构。

千万亿次计算机的出现，为中国高科技计划的实施提供了一个更为广阔的平台。

“某些领域的现实需求，已经超出了目前巨型机的能力。”窦文华说，气候预报、环境控制、飞行器设计、系统生物学等领域都需要千万亿次甚至更高性能的计算机。因此，“天河一号”投入使用后，必将推动科学研究的速度。

七大技术四大特点打造“中国第一”

一台千万亿次的“天河一号”，是否等于10个百万亿次巨型机之和？中国科学院院士周兴铭说，系统的效能绝不是各单元计算效能的简单叠加。

“如果用高性能微处理器直接堆出一个千万亿次的系统，功率会大得惊人，用户可能连电费都付不起，同时机器的可靠性很低，根本无法稳定工作。表 面 上看‘干活’的器件多了，结果却是‘三个和尚没水吃’。”周兴铭说，“天河一号”采用7项关键技术，使得“一加一”的结果尽量接近“二”，从而发挥出机器 最大的整体效能。

这7项技术包括：多阵列可配置协同并行体系结构、高速率扩展互联通信技术、高效异构协同计算技术、基于隔离的安全控制技术、虚拟化的网络计算支撑技术、多层次的大规模系统容错技术和系统能耗综合控制技术。

周兴铭介绍说，由于采用了一系列创新技术，这台计算机具有四大特点：

——高性能。无论是1206万亿次的峰值性能，还是563.1万亿次的Linpack实测性能，均位于国内榜首、世界一流。

——低能耗。能耗是每瓦电创造的计算效能，“天河一号”目前能效为每瓦4.3亿次运算，与2009年6月公布的Top500(全球超级计算机 前 500强)排名第一的美国“走鹃”(Roadrunner)相当。参照2009年6月公布的Green500(全球绿色超级计算机前500强)排名，“天 河一号”可以位居第5。

——高安全。“天河”实现了不同用户间数据和工作信息的相互隔离。对用户来说，相当于到银行租个保险柜，钥匙掌握自己手里。

——易使用。“傻瓜化”的操作界面和菜单、鼠标等常规操作，让机器的使用变得简单。同时，作为一台国际通用的标准化的超级计算机，“天河”上能运行来自各行业的各种程序，不存在兼容性问题。

公共服务设施承载三大功能

按照工程计划，“天河一号”将于2009年底至2010年在天津市滨海新区落户，成为国家超级计算天津中心的业务主机，面向国内外提供超级计算服务。

“天河”工程办公室主任李楠说，“天河一号”在投入使用后将实现三大功能。

第一，作为提供超级计算服务的全球公共科研设施，“天河”向国内外用户开放。无论身在何处，用户都可以通过国际互联网使用“天河”进行科学计算。

第二，作为产业带动平台，“天河”上集中的当今时代最先进的信息技术将逐步转移到其他产业，从而解决国家与社会发展中的各种问题。

第三，作为吸引人才的平台，“天河”将进一步汇聚来自世界各地的尖端技术人才，对国民经济和世界科技的可持续发展作出更多贡献。

目前中国的巨型计算机用户主要集中在石油勘探、天气预报、基础研究等领域。上个世纪末期，西方发达国家的汽车、建筑、动漫等行业已经开始普及巨型计算机。

“我国对高性能计算机的需求已经进入一个高峰期。”李楠说，“天河”将用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘探和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、环渤海生态动力和污染数值模拟、基础科学理论计算等方面。

与国家超级计算天津中心同时开始建设的，还有位于深圳的中心。这一南一北两个国家级的超级计算中心，将成为中国高科技发展的重要引擎。

超级计算机是否只是科学研究者的“专利”？李楠介绍说，超级计算机的应用与老百姓的生活息息相关，最常见的天气预报就是超级计算的结果。而随着超级计算机的服务能力在未来进一步拓展，很可能会诞生一个庞大的巨型机服务产业，面向个人用户提供服务。

“比方说，未来的天气预报可能进一步定时化，个人可以随时询问某个局部区域在某个特定时间段的天气情况。”李楠说。

数字详解“天河一号”

中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”究竟有多“超级”？以下是一组相关数字。

数字一：全系统峰值性能为每秒1206万亿次，Linpack实测性能为每秒563.1万亿次。这意味着，“天河一号”计算一天，一台配置Intel双核CPU、主频为2.5GHz的微机需要计算160年。

数字二：共享存储总容量为1PB。按国内数字图书馆应用软件的图片格式PDG为例计算，如果平均每册书大小约10MB的话，“天河一号”的存储量相当于4个国家图书馆(藏书量为2700万册)之和，能够为全国每人储存一张大小接近1mb的照片。

数字三：“天河一号”由103台机柜组成，每个机柜占地1.44平方米、高两米、重1.5吨，系统总重量相当于19个神舟飞船。把通风等条件考虑在内，放置“天河一号”需要一个近千平方米的房间。

数字四：全系统包含6144个通用处理器(CPU)和5120个加速处理器(GPU)，仅系统级软件就有20多万行代码。按照每人每个小时写20行代码的速度，需要写1万小时。

数字五：互联通信网络的单根线传输速率为10Gbps，这是目前国际上最快的速率，相当于在“天河一号”计算机内部修了一条信息高速公路。

数字六：直接参与“天河一号”研发的科技人员有200多人，平均年龄为36岁。

数字七：“天河一号”目前投资为6亿人民币。从信息技术的发展速度预计，使用寿命预计为10年。

数字八：全系统运行情况下，每小时耗电1280度。能耗比即每瓦电创造的计算效能为4.3亿次运算，与目前峰值性能排名世界第一的美国“走鹃”超级计算机相当。