中国“大脑”有望夺取世界第一

    "天河一号"

    CFP供图

    "天河一号"

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    如果在电影里，在这一排排指示灯不断闪烁的黑色柜子里，多半会存着什么重要的机密文件，但现在，这里正储存着也许是世界上最快的“大脑”。

    根据理论数据，它的运算速度可以达到每秒一千万亿次，还有科学家据此推算：全国13亿人连续计算88年的数据，交给这个“超级大脑”，只需要1秒钟。

    “超级大脑”其实是一台被命名为“天河一号”的超级计算机。在国家超级计算天津中心的大楼里，它们被装入100多个用光纤相连的机柜，存放在一间近千平方米的大房间里，不断发出风扇旋转的轰鸣声。这是中国第一台也是目前唯一一台千万亿次级别的计算机，它的诞生，也使中国成为继美国之后，第二个有自主研制如此规模超级计算机的国家。

    “与‘银河’系列计算机的定位不同，‘天河’系列的超级计算机主要针对民用市场。”国家超级计算天津中心副主任朱小谦说。他同时介绍，在今年年底正式投入使用之后，这个“超级大脑”可以帮助我们作出更精准的天气预报、设计更安全的汽车，或者研发更有效的药物，从而直接影响每一个普通人的生活。

    这台国产自主的超级电脑“很有可能摘取世界第一的桂冠”

    在普通人看来，要提升计算机的计算能力，似乎只要把很多个中央处理器（CPU）“绑”起来就行了。就好像要比10个人的小组工作快10倍，只要找100个人来就可以了一样。但在计算机的研发中，这一过程却复杂得多。为了把计算机的运算速度从“每秒一百万亿次”增加到“每秒一千万亿次”，中国科学家花了3年的时间。

    “影响计算机性能的因素有很多，除了CPU本身的性能，它们之间的通信状况也很重要。”朱小谦说。

    在现实生活中，当我们把一份任务分给100个人去做的时候，除了前期把工作细分，最后把个人的工作汇总，中间还要让这100个人进行适当的沟通和配合，否则就会产生严重的内耗，降低工作效率。

    研发超级计算机的并行工作原理也是如此。不同的计算子任务之间应当不断交流计算的进度，在需要的时候交换计算结果并且相互配合。这些工作无法完成，电脑就会产生大量的“额外开销”，消耗大量的电力，也完全实现不了自己应有的运算能力。

    当超级计算机的研制提高到“千万亿次”的级别，计算规模越来越大，CPU的数量越来越多的时候，如何提高元件间的相互通信能力就成了学术界讨论的热点。与过去的超级计算机中单纯使用CPU不同，一些学者提出，可以将普通计算机中用于图形处理的图形处理器（GPU）应用在超级计算机中，成为计算过程中的“加速模块”。

    “CPU与GPU的结合可以让相同计算能力的计算机的体积更小，消耗的能量也更低。”朱小谦说。

    不过，在很长一段时间里，这两种处理器共同工作的模式一直停留在理论研究的阶段。美国已有的千万亿次计算机仍然保留了单纯使用CPU的方式，但“天河一号”的研发人员却第一次将学术界讨论的“概念机”变成了现实。

    在“天河一号”一排排高大的机柜里，一共装有6144个CPU和5120个GPU，这就是它惊人运算速度的原因。有媒体描述说，“天河一号”一天的计算量，当前主流的双核处理器微机要算160多年。

    朱小谦并不认同这样简单的比喻。“天河一号不能直接和一台微型电脑相比。”朱小谦说，“单个CPU并不能体现出它的速度，它的功能是整体协作的结果。”

    他解释说，同样一台超级计算机，在用于天气预报的计算时可能速度特别快，但用于航空领域的计算时效果就没那么好。计算机的速度与程序的算法直接相关，因此，很难笼统地对它的速度进行直接评价。

    不过在国际上，人们还是找到了衡量超级计算机的标准。通过运行一个世界通行的“基准测试程序包”，人们就能获得计算机的速度评价，甚至还有人每年以此为标准对超级计算机进行“世界500强”排名。

    这个由德国人在1993年创立的排行榜每半年发布一次。在2009年11月发布的第34季超级计算机500强的排名中，一个月前刚研制成功的“天河一号”在全球排名第五，亚洲排名第一。这是中国计算机首次在这一榜单中进入前5名。

    在2009年研发完成之后，国家超级计算中心的工作人员又对“天河一号”的性能进行了优化更新，其中CPU更是换成了国产自主研制的“飞腾”芯片，“性能更加强大”。

    对于今年11月的新一轮“500强”排名，朱小谦非常保守地表示，“‘天河一号’很可能会有更好的名次。”而另一些超级电脑工业的科学家和工程师则提出，当今中国制造的超级电脑“很有可能摘取世界第一的桂冠”。

    中国正迅速成为高性能电脑领域的“玩家”

    在超级计算机领域，美国的领先优势非常明显：在2009年的电脑“世界500强”排名中，282台来自美国。

    不过，从2009年开始，来自中国的超级计算机已经逐渐崭露头角，除了“天河一号”，在2010年上半年的排名中，同样来自中国的“曙光星云”超级计算机排到了第二名。

    “这肯定有一定的鼓舞作用。”牛津超级计算中心的主任乔·洛克利博士在接受采访时评价说，“中国正迅速成为高性能电脑领域的‘玩家’，这将意味着真正的工业兴起。”

    事实上，在许多工业研究领域，超级计算机都发挥着越来越重要的作用。在石油勘探的过程中，对地下构造的计算、分析有助于精确寻找油藏的位置，而在飞机研发领域，超级计算机能够模拟大量的试验，从而制定出最好的设计方案。

    洛克利表示，虽然中国超级计算机研究的起步比较晚，但这刚好提供了一个“很高的起点”：不需要浪费资源去解决一些发展初期所要面对的瓶颈和难题。美国早在1990年就提出了制造千万亿次级巨型计算机，但直到2009年，这一目标才得以实现。几个月之后，中国的计算机就达到了同样的目标。

    朱小谦从1998年就投身超级计算机应用研究工作，对国产超级计算机的每次技术进步如数家珍。虽然这些变革在普通公众看来，不过是一块块同样陌生的芯片。而从外观上来看，国内的超级计算机“组装密度越来越高，体积也越来越大，计算能力更是直线增长”。

    在今年的排名中，已经有24台国产超级计算机排入了“世界500强”的名单。除了人们熟悉的“银河”、“神威”等用于军事开发的计算机，“曙光”、“联想”、“浪潮”等民用计算机也在普通人的生活中发挥着重要作用。

    不过，这一领域日新月异的高速发展并没有给研究人员什么时间用来欣喜。事实上，就在“天河一号”排名世界第五之后，在2010年上半年的第35季电脑“世界500强”排名中，这一名次就跌落到了第七位。

    “全世界计算机的发展非常快，一年的时间就可能什么都变了。”朱小谦说，“真正重要的还是把它们推广应用，产生实际的效益。”

    就像爱因斯坦的大脑推动了科学的进步一样，这个也许是世界上最快的“大脑”，也能让我们的生活变得更加美好。

    “天河”系列超级计算机的名字，取自国防科技大学“银河”系列计算机与天津市滨海新区的合作。2009年9月，“天河一号”在研发完成后被运到天津，在正式投入使用之前，超级计算中心先将一个运算能力为1/10的小系统向公众开放。

    现在，已经有天津市生物医药联合研究院、南开大学等研发单位利用小系统进行药物研发，天津的动漫产业综合示范园也在此进行一些动画的制作。

    “‘天河’一号为用户的设计研发提供了一个高性能的运算平台。”朱小谦说。

    他介绍说，在使用“天河一号”的系统时，工作人员先帮用户把程序移植到业务主机上来，随后通过调试让程序更符合机器的特点，运行得更加高效、经济。

    “天河一号”的使用也并不局限在天津地区。事实上，它还提供了24小时的网络远程应用服务。人们可以在得到超级计算中心的授权之后，从自己的电脑通过互联网连接到“天河一号”，上传自己的程序，下载运算数据，从而“使有兴趣的大、中学生也可以进行课题研究”。

    不过，朱小谦也表示，对于“天河一号”这样的千万亿次级超级计算机，由于CPU之间的相互协调需要大量能耗，普通的程序未必能体现出它的“强大能力”：“要充分发挥它的优势，所需要的计算量一定要具有相当规模，否则就是‘大炮打蚊子’了。”

    现在，这台中国最快的计算机正立在天津滨海新区的产业园区里。国家超级计算天津中心的工作人员正马不停蹄地对它进行调试。除了通过测试程序来判断机器的状态是否稳定，元器件故障也是工作人员的重点排查对象。

    对于只拥有一个CPU的普通电脑而言，发生故障的概率很低，但在 6000多个CPU 和5000多个GPU 聚集在一起之后，发生故障的概率就高得惊人了。“天河一号”的监控管理系统能够及时提示发生故障的节点，并且将CPU上运行的任务迁移出来，而工作人员也同样需要及时将坏掉的CPU进行维修、替换。

    “我们计划在第四季度让它投入正式运行。”朱小谦说。

    尽管调试还没有完成，工作人员已经期待着这台中国最快的计算机在更多的领域一展身手：它可以在药物研发中对所有可能的分子组合进行高速测试，从而筛选出十几种甚至几十种药物进行实验；它可以用高速的计算分析气流、云层数据，从而作出7天甚至更长的精确天气预报；它能够对股票期货的投资进行详细模拟计算，甚至可以将行动建议精确到“几分几秒出手”；它也可以反复模拟安全碰撞试验，减小设计误差，提高汽车的质量和安全性能……

    或许，就像爱因斯坦的大脑推动了科学的进步一样，这个也许是世界上最快的“大脑”，也能让我们的生活变得更加美好。