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全球超算三連冠:中國"神威·太湖之光"顯神威

全球超算三連冠:中國"神威·太湖之光"顯神威

「神威·太湖之光」超級計算機。

新華社記者 李 響攝

6月19日,在德國法蘭克福舉行的全球超級計算大會公布新一期全球超級計算機500強榜單中,由國家并行計算機工程技術研究中心使用自主晶元研製的「神威·太湖之光」第三次出現在全球超算500強榜單(第四十九期)榜首的位置,實現三連冠。

同時,「神威·太湖之光」的兩項應用成果也進入「戈登·貝爾獎」的提名。

一分鐘計算能力相當於72億人同時用計算器不間斷計算32年

走進國家超級計算無錫中心,1000平方米的房間內,記者看到了「神威·太湖之光」的「真身」:由40個運算機櫃和8個網路機櫃組成。每個運算機櫃比家用的雙門冰箱略大,打開櫃門,4組由32塊運算插件組成的超節點分佈其中。工作人員介紹,每個插件由4個運算節點板組成,一個運算節點板又含2塊「申威26010」高性能處理器。一台機櫃就有1024塊處理器,整台「神威·太湖之光」共有40960塊處理器。

那麼,「神威·太湖之光」到底有多強?據介紹,其系統峰值性能為每秒12.5億億次,持續性能為每秒9.3億億次,性能功耗比為每瓦特60.5億次,均居世界第一。

光看數據不直接,國家超級計算無錫中心主任楊廣文介紹,「簡單來說,這套系統1分鐘的計算能力,相當於全球72億人同時用計算器不間斷計算32年;如果用2016年生產的主流筆記本電腦或個人台式機作參照,『神威·太湖之光』相當於200多萬台普通電腦。」

楊廣文介紹,「神威·太湖之光」是世界首台峰值運算速度超過10億億次、并行規模超千萬核的劃時代的新型超級計算機。整機採用高密度運算超節點和高流量可擴展複合網路架構,實現全系統高效可擴展與并行運行;採用層次包容、分級自治的軟硬協同容錯體系,實現整機系統的高可用;通過面向典型應用和機器結構的編譯優化、自適應精細平衡調度等技術,實現應用軟體的高效運行。

首次完全使用「芯」,集運算控制核心與運算核心於一身

更讓楊廣文驕傲的是,這個世界第一的超級計算機採用的中央處理器,是自主設計生產的國產晶元——「申威26010」眾核處理器。

中科院計算所研究員、并行計算專家張雲泉表示,「神威·太湖之光」是首次完全用「芯」製造的最強大的超級計算機。在第一次獲得冠軍時,國際TOP500組織是這樣評價「神威·太湖之光」的:「在國際TOP500組織第四十七期榜單上保持第一名的位置,憑藉的是一個完全基於設計、製造的處理器而打造的新系統。」

楊廣文介紹,這是一款具有獨特性的處理器,它採用了片上融合的異構眾核體系結構,以及具有自主知識產權的指令集和完整的配套軟體生態系統。這種獨特的體系結構在25平方厘米的方寸之間集成了260個運算核心、數十億晶體管,達到了每秒3萬億次計算能力。

為何這個晶元具有如此強大的性能?楊廣文說,具體說來,圖形處理等晶元過去都是採用插卡的形式,這樣的晶元設計會造成幾個問題:第一,組裝規模大,費電。第二,PCE作為通信介面,造成瓶頸。而這個晶元把運算控制核心與運算核心做在一個晶元內,這樣就把這兩個問題都解決了。「在國際上,現在英特爾可能也正在推出類似晶元,這一點我們走在前面。」

除了晶元,作為一個超算系統,「神威·太湖之光」在體系結構、高速互聯、系統軟體等關鍵技術上都實現了前所未有的創新和突破,帶來了性能的跨越式發展。楊廣文說,通過多年的積累,他們已經構建了從編譯器、操作系統、開發環境到應用平台的較為完善的軟體生態鏈,並有針對硬體做性能的優化,確保性能的發揮、節能水平的利用。

累計擁有幾百項應用課題,服務天氣氣候、航天航空等多個領域

兩項應用成果入圍2017年度「戈登·貝爾獎」提名,2016年的一項應用成果已經獲獎,填補在這個被稱為高性能計算應用領域的「諾貝爾獎」上的空白,「神威·太湖之光」在應用方面的進步令人意想不到。

據楊廣文介紹,按照目前的統計,「神威·太湖之光」一年來的利用率已經超過50%,累計擁有幾百項應用課題,目前有一些重大項目正在「神威·太湖之光」上進行全機調試,比如2016年「戈登·貝爾獎」獲獎應用「全球大氣非靜力雲分辨模擬」,還有一些應用目前正在「神威·太湖之光」上一邊進行小規模調試,一邊排隊等待更大規模應用的檔期。目前,包括國家氣象局等多個國家專業機構與研究院所都在「神威·太湖之光」上開展應用研究,並進一步與國家超算無錫中心尋求全面合作。「因此,我們完全不擔心『神威·太湖之光』跑不滿。」楊廣文說,目前最核心的問題是如何把它用好,可以多出重量級的成果。此外,需要考慮在擁有大量科研用戶的同時,如何能夠培養更多有意願長期合作且需求旺盛的產業界用戶。

國家超級計算無錫中心副主任、清華大學副教授付昊桓說,超級計算在科學與工程領域應用最早、最廣泛,應用效果最顯著,已同理論研究和科學實驗一起成為人類探索未知世界的三大科學手段,被稱為支撐科學發現的第三個支柱。「神威·太湖之光」對科技創新和經濟發展具有十分重要的作用。目前,應用領域涉及天氣氣候、航空航天、先進位造、新材料等19個方面,支持國家重大科技應用、先進位造等領域解算任務幾百項,一年來共計完成200多萬項作業任務,平均每天完成近7000項。據付昊桓介紹,「神威·太湖之光」已經應用於代表未來「黑科技」發展方向的研究領域,比如「人造小太陽」,也就是核聚變發電的相關理論與實驗方面的模擬。

記者在國家超算無錫中心的應用成果展示區看到,航空、航天的相關研究機構目前正與無錫超算合作進行C919大飛機多種飛行狀態的模擬,以及天宮系列航天飛行器的飛行狀態模擬。山東的一家公司還在利用「神威·太湖之光」的超強能力進行動漫製作。據介紹,這樣不僅可以製作出更加逼真的動漫渲染效果,而且可以大幅縮短製作周期。「未來很有可能會看到依託『神威·太湖之光』運算能力製作出的國產動畫大片。」楊廣文說。

除此之外,國家超算無錫中心還在考慮如何服務地方經濟發展。「江蘇是製造業大省,如何幫助製造業實現創新,是我們正在考慮的一個重要應用方向。」楊廣文說,中心希望能更好地支持當地製造業的發展,將國家超算無錫中心建成江蘇省一個產業科技創新中心。他表示,目前,製造業的大部分應用軟體都是國外的商用軟體,在這方面國家超算無錫中心也在布局,例如已與遠景能源展開了格林威治智慧風場平台建設,同時還在汽車製造業、船舶製造、新葯研發等方面開展研究。

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