“超强大脑”运转起来

每秒钟运算十亿亿次、百亿亿次的超级计算机，正在为人们生产生活服务

 

“超强大脑”运转起来

 

日前，第六届世界互联网大会上发布的《中国互联网发展报告2019》显示，我国网络信息技术自主创新能力不断增强，新一代百亿亿次（E级）超级计算机的原型机型研制完成。国家“十三五”高性能计算专项课题3个E级超算的原型机系统——神威E级原型机、“天河三号”E级原型机和曙光E级原型机系统也已全部完成交付。

 

 

日前，在纪念中国超级计算事业发展四十年暨国家超级计算天津中心成立十周年活动上，展示了“天河三号”百亿亿次原型机。毛振华 摄

 

超算，即超级计算或高性能计算，是计算机界“皇冠上的明珠”，也被视为科技突破的“发动机”。随着应用的不断开发与完善，超算服务着科学研究、产业发展的方方面面，成为解决人类难题的“超强大脑”。

 

超算在最尖端科研领域、最前沿产业领域取得一系列创新成果

 

“编号为台风胚胎96W的热带云团未来将缓慢向巴士海峡以东洋面靠近，强度将略有加强，而台风胚胎97W则可能在大洋深处向着西北方向移动……”10月16日，卫星云图上，一片片热带云团正在西太平洋上活跃，超级计算机早已对台风胚胎有所觉察，并在集合预报中对它们的动向给出了判断。

 

“气象领域计算机系统的建设与应用，提高了天气气候预报时效和为国家服务的水平。”中国工程院院士李泽椿说，上世纪80年代，我国建立首个中期（十天）数值天气预报业务系统，计算能力当时就成为能否实行业务数值预报的关键，只有能力足够大的计算机才能把业务方案中复杂的物理过程计算好，才能在规定的时段内计算出预报结果。

 

从1983年我国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河一号”巨型计算机的研制成功，到曙光系列、天河系列、神威系列的相继问世，我国成为世界上第三个具备研制高端计算机系统能力的国家。超级计算机成为高端信息技术又一新的制高点，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。

 

“超算技术不仅仅要放在实验室里面做理论研究，更重要的是与行业应用、客户需求相结合，为经济社会发展带来价值。”联想集团高级副总裁童夫尧说。

 

完成500人规模的全基因组信息关联性分析，利用原有计算机需1年，利用“天河二号”只需3个小时；研制一架大飞机，过去需耗费2年时间做全机风动试验，利用超级计算机模拟仿真，6天就能完成；国家超级计算长沙中心的人工智能筛查机器人，3至5分钟就能精确“问诊”骨质疏松症，准确率超过90%……

 

目前，我国先后在天津、长沙、广州等地建成6家国家级超算中心，在最尖端的科研领域——如大气变化模拟、生命科学、天体物理的研究中，以及在最前沿的产业领域——如石油开采、新药研发、工业仿真计算等课题中，取得了一系列创新成果。“天河一号”超级计算机已应用10年，是世界上连续稳定运行时间最长的超级计算机之一，它每天服务8000多个科研计算任务，累计支持国家科技重大专项和研发计划超过1600项。新一代百亿亿次超级计算机“天河三号”原型机自2018年7月开放应用以来，目前已为30余家合作单位完成了大规模并行应用测试。

 

“十三五”国家重点研发专项“高性能计算”总体专家组组长钱德沛认为，超级计算机的发展根本动力来自于需求。要研发一批关键的应用软件，建立具有世界一流资源能力和服务水平的国家高性能服务环境，促进我国计算服务业发展。

 

大数据时代，“融合计算”成为超算应用的关键词

 

随着大数据、云计算和人工智能等新兴技术的蓬勃发展，“融合计算”成为超级计算应用的关键词。

 

“进入大数据时代，对计算能力提出了非常高的要求。”中国石油东方地球物理研究院数据中心总工程师赖能和介绍说，石油勘探是超算应用的主要领域之一，超算堪称“找油”利器。地球物理勘探技术相当于给地表“做CT”，产生的数据量可达到千万亿字节（PB）级别。为了提升勘探精度，必须使用超算技术来处理海量的数据。

 

“超算与物理勘探技术实现了相互促进。如果没有超级计算技术的话，物理勘探的很多算法无法实现，更谈不上高精度勘探、高精度成像。”赖能和说。

 

在汽车研发体系中，仿真计算扮演着关键角色，许多主流汽车厂商的整车研发过程大都通过超算仿真设计来完成，有效缩短研发周期，降低研发投入，提升产品的技术附加值。基于“天河一号”与云计算等技术的融合，国家超算天津中心构建了一个集高性能计算与可视化分析处理于一体的汽车研发公共服务平台。在中国科学院计算所所长孙凝晖看来，超算未来也会以云计算的方式来提供服务、走向用户。基于人工智能的高性能计算应用也呈加速态势。在电力领域，仿真计算和人工智能识别技术相结合，就能更加准确地模拟、预知雨雪冰冻灾害对电网造成的破坏。联想研究院企业云和无线实验室负责人黄莹认为，传统的高性能计算以高度的计算要求完成工作，“新的计算”要求人工智能模型与高性能计算更好结合。

 

与人工智能、大数据的融合发展，也将促进下一代超算的演进。“可以预见的是，这些新技术也会对未来超级计算机的体系结构产生影响。”钱德沛说。

 

从“制好”转化为“用好”，让超算真正“中看又中用”

 

今年6月，国际超级计算大会发布了全球超算500强最新榜单。中国境内有219台超算上榜，上榜数量连续第四次位居第一；“神威·太湖之光”和“天河二号”继续排在运算速度第三、第四位；联想、浪潮和中科曙光3家中国企业分别以173台、71台和63台的数量位居全球超算制造商前三位。

 

在运行应用方面，我国不仅实现了30年来国际高性能计算应用领域最高奖“戈登贝尔”奖零的突破，而且连续有项目入围该奖项，逐步构建起相对完善的应用生态。在自主创新的支撑下，我国超算在应用方面展现出一定的实力。

 

不过，还要看到，国内超算的制造优势与应用优势不相匹配，“重技术、轻应用，重硬件、轻软件”问题仍较为突出，资源不足和资源利用不充分的现象同时存在。国内科研机构、企业不少重要应用仍需采购国外昂贵的商业软件，一些大型企业研发的应用软件多数停留在自研自用层面，缺少产业化推广。如何扭转产业应用不够的局面，将“制好”优势转化为“用好”优势，是我国超算亟待解决的问题。

 

“用，不是简单的用，而是要对机器性能、功能、使用方便性，包括需要什么样的系统软件、应用软件等提出要求，这些要求正是我们研制超级计算机的目的。”北京航空航天大学教授、联想集团首席科学家祝明发指出，只有让产学研用结合，才能有效带动超算健康发展。

 

如何让中国超算做到真正“中看又中用”？

 

超算用得好，首先要立足于自主创新。“自主可控不是一个可选项，而是唯一的出路。”钱德沛指出，“自主可控和开放合作并不矛盾，我们只有自身强，有过硬的技术，才有可能广泛地开展合作。”

 

超算用得好，要加强对应用软件研发的支持力度。钱德沛说，让原本封闭使用的应用软件“走出去”，让成千上万的人用起来，找到漏洞、进行改正，效率会提升，适配性、兼容性问题也会进一步解决。

 

专家也指出，超算应用开发不足与配套人才较少直接相关，但目前培养高性能计算软件人才的大学不多。应该立足行业，培养各类高性能应用软件的开发及应用人才，特别是交叉型应用人才，积极拓展多种形式的学术界和产业界人才培养模式，补齐软件人才短板。（记者 谷业凯）