日前，國際“Top500”在美國新奧爾良正式發(fā)布第36屆最新全球超級計算機500強排行榜,，中國的“天河一號”位居榜首,。連日來，“天河一號”奪取世界冠軍的消息吸引著全球媒體的眼球，也引發(fā)了人們對超級計算機的關注,。
“天河一號”以峰值速度4700萬億次,、持續(xù)速度2566萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能位居世界第一，實現(xiàn)了從“亞洲第一”向“世界第一”的重大跨越,。
互聯(lián)芯片自主研發(fā)
全球之所以高度關注這次排行榜的變化,，就是因為“天河一號”體現(xiàn)了我國的三大自主創(chuàng)新。
其一,，部分芯片屬于自主開發(fā),，芯片有望國產(chǎn)化。盡管“天河”的主要部件仍來自英特爾與英偉達兩個美國制造商,，但互聯(lián)芯片則完全是中國自主研發(fā),，“天河”安裝有由中國自主研發(fā)的“飛騰1000”芯片，部分取代了進口芯片,，為全部國產(chǎn)化奠定了基礎,。
其二，設計構架屬于中國獨創(chuàng)的結(jié)構,。從傳統(tǒng)上看,，超級計算機由成千上萬塊家用電腦的CPU(核心計算芯片)組裝而成；這些CPU必須在系統(tǒng)軟件和通信器件的協(xié)調(diào)紙下,，才能充分發(fā)揮合力,，否則就是一盤散沙。隨著超級計算機從“百萬億次”進入“千萬億次”,，類似計算機“大腦”的CPU越來越多,，協(xié)調(diào)難度也越來越大。
而“天河一號”采用先進的“CPU+GPU”的設計思路,，將GPU(圖形芯片)用于超級計算機,，起到了“CPU加速器”的作用。目前,，這種先進的技術路線還在探索階段,，但前景看好。中國依靠這條技術路線開發(fā)出排名第一的“天河一號”,，已經(jīng)很有說服力,。
其三，軟件操作系統(tǒng)不再受制于人,。“天河”采用了與其他超級計算機操作系統(tǒng)不同的“麒麟”系統(tǒng),，這也是中國國防科大自主開發(fā)的，以高安全性著稱,，它就像到銀行租個保險箱,，鑰匙與密碼都掌握在自己手上，避免受制于人，確保了“天河一號”的信息始終自主可控地掌握在自己手中,。
“中國速度”震驚美國
縱觀今年的榜單,，中國無疑是進步最大的國家。過去17年里,，中國只有兩臺計算機曾入圍“Top500”年末前10,，而且都是第10名。去年,，中國還只有21臺計算機入圍全球前500名,，位居美、英,、德,、法之后，今年增加到了41臺,，總量僅次于美國,，排名第二。
過去一年間,，全球前500快計算機的運算能力總和,，增幅僅為56%。中國超級計算機的進步,，體現(xiàn)了中國國家實力增長,，是中國實力的一個縮影。全球超級計算機排行榜編撰人之一,、美國田納西大學計算機學教授唐加拉說,，中國“天河一號”將一度位列第一的美國“美洲虎”遠遠地甩在身后。
在16日排名正式公布前,，美國媒體就已經(jīng)高度關注“天河一號”的消息,。《華爾街日報》援引美國計算機專家的話稱：“毫無疑問,，‘天河’是高性能計算領域游戲規(guī)則的改變者,，這是一個轉(zhuǎn)折點，標志著經(jīng)濟競爭力從西方轉(zhuǎn)向東方,。”在美國11月中期選舉前后,，美國總統(tǒng)奧巴馬多次在講話中提到，現(xiàn)在不僅世界上速度最快的火車在中國,，中國還制造出了世界上速度最快的超級計算機。美國弗吉尼亞理工學院一位計算機專家稱,，這意味著美國在這一技術領域的支配權已經(jīng)動搖,。
在中外媒體與專家的分析看來，超級計算機技術原本是美國傳統(tǒng)的“優(yōu)勢項目”，如今正被中國超趕,，這無疑讓美國感到警惕與震驚,。在超級計算機研制領域，中國的發(fā)展速度給世人留下了極深刻的印象,。在過去十年間,，中國在超級計算機全球排名榜上的位置穩(wěn)步上升。
超級計算機：大國競爭的焦點領域
對各國來說,，超級計算機是“計算機領域的珠穆朗瑪峰”,，類似稱謂還有高性能計算機、高效能計算機等,。從全球看,，超級計算機領域的競爭十分激烈，過幾年就有新的巨型機投入使用,，排名變化很快,，它是各國尤其是大國必爭的戰(zhàn)略制高點，甚至是一個國家綜合實力與技術實力的主要體現(xiàn),。
中國：搶占高科戰(zhàn)略制高點
上世紀90年代初,，中國的超級計算機幾乎全是進口產(chǎn)品，科研機構要在外國人的現(xiàn)場監(jiān)控下使用進口計算機,。近年來,，中國逐步探索出了一條適合國情的發(fā)展超級計算機的新路子，“中國制造”不斷縮小與發(fā)達國家的差距,，在一些技術領域甚至處于世界領先地位,。入圍世界前500名排名中，中國以41臺機器的占有數(shù)量,，超過日本,、法國、德國和英國,，成為超級計算機的第二大使用國,。《紐約時報》稱,，中國正在由一個超級計算機領域的“后起者”向“超級大國”轉(zhuǎn)變,。
“天河一號”的運算速度達到世界領先水平，其意義遠遠超過計算機本身,，這意味著超級計算機被美日壟斷的局面已被打破,，這是中國科技迅猛發(fā)展的重要標志。對我國來說,，類似“天河一號”這樣的超級計算機,，在消除我國安全威脅,、提高我國產(chǎn)業(yè)的自主設計能力和核心競爭力等方面有不可替代的作用。
美國：試圖超越“天河一號”
對中國“天河一號”占據(jù)世界第一的說法,，美國著名計算機設計師沃利奇表稱,，世界不會停止腳步，中國的趕超只是暫時情況,。美國在失去“世界最快計算機擁有者”稱號之后,，會加大超級計算機方面的研究。
有媒體稱,，目前已有五個計劃或正構建的超級計算機系統(tǒng),，其運算能力將會超越“天河一號”，這些正建造的超級計算機大多數(shù)都集中在美國,。美國正在開發(fā)的一套名為“藍水”的計算機系統(tǒng),，使用的是IBM公司的Power 7多核處理器，每秒持續(xù)運算速度能達1000兆次,，最高可達10000兆次,。此外，美國橡樹嶺國家實驗室正在研制內(nèi)置加速器的超級計算機,，研制成功后計算能力有望達20千萬億次,，預計在2012年研制完成，其速度將近“天河一號”10倍,。
日本：曾把美國擠下“頭把交椅”
在研發(fā)超級計算機方面,，日本屬于起步較早的國家之一。自上個世紀90年代起,，日本意識到超級計算機研發(fā)是提高其國際競爭力的重要一環(huán),，不斷推出和更新超級計算機的研發(fā)計劃。
1999年,，日本投入400億日元(約人民幣25億元),，開始名為“地球模擬器”的超級計算機研發(fā)，旨在通過在計算機內(nèi)置“虛擬地球”預測及解析整個地球大氣,、地殼,、地震等活動為目的。2002年,，“地球模擬器”成功推出,，將一直獨占鰲頭的美國擠下了“頭把交椅”。
之后,，由于預算資金削減原因,，日本超級計算機的研發(fā)目的發(fā)生了轉(zhuǎn)向，原由政府主導型的超級計算機研發(fā)政策,，開始向產(chǎn)學一體化,、為民生提供更多貢獻的方向發(fā)展,。目前，日本為外界所知的核心項目是10千萬億次級的超級計算機系統(tǒng),，預計2012年問世。
歐洲：20國參與斥資數(shù)億歐元
歐洲采取了“化零為整”的聯(lián)合手法,，共同打造“超超級”計算機,。今年6月，投資數(shù)億歐元,、有20個國家參與的連接多臺超級計算機,、每秒速度達百萬兆次的超級計算機合作平臺計劃，在西班牙巴塞羅那啟動,。此計劃旨在通過建立一個連接歐洲各種計算資源的基礎設施,，增強歐洲的超級計算能力。
10月25日,，法國原子能委員會舉行了大型計算中心揭幕儀式,。大型計算中心坐落在法國北部的埃松省，總面積6500平方米,，主要用途就是安放由歐洲多國共同研制的“居里”超級計算機,，它可進行每秒超過1000萬億次的運算，相當于15萬臺筆記本電腦工作量的總和,，將于2011年底正式投入運行,。
俄羅斯：打造最高運算性能密度
2010年3月，俄羅斯方面透露,，國立莫斯科大學正籌建一套最大性能超每秒千萬億次浮點運算的超級計算機,，會殺進TOP500排行榜前三甲，甚至還有望拿下第二位,。
與此同時,，今年9月，俄羅斯還展示了最高密度Tesla超級計算機,，號稱可實現(xiàn)全球最高的運算性能密度,，在小空間內(nèi)實現(xiàn)萬億次計算解決了占地空間大、造價高等缺點,。
印度：有潛在實力再造佳績
目前,，印度也是世界上為數(shù)不多幾個自主擁有超級計算機的國家，它以低廉的成本,，研制出了高品質(zhì)和具備高速運算能力的超級計算機,。2007年，全球“超級計算機500強”排行榜中公布,，印度首次有超級計算機打入世界第4位,。
盡管目前500強中印度只占有4席,，但印度的IT產(chǎn)業(yè)為世界所稱道，它依然有強大的潛在實力再造佳績,。
專家提醒“保持冷靜”
在承認中國在超級計算機研發(fā)進步速度飛速,、自主研發(fā)能力提高的同時，專家也在提醒“保持冷靜”：就整體優(yōu)勢而言,，美國依然占據(jù)第一梯隊,，我國也只是在第二梯隊中占據(jù)領先地位。在專家看來,，衡量一個國家在超級計算領域的實力,，速度并非唯一指標，更重要的是看應用能力,。
其一,，應用程度遠低于美國等發(fā)達國家。據(jù)悉,，自2007年7月“天河一號”系統(tǒng)正式上網(wǎng)投入使用后,，目前已有石油勘探、高端裝備制造,、生物醫(yī)藥,、動漫設計等方面為20多家用戶提供服務。在我國,，核心的工業(yè)界尚未掌握運用超級計算機的能力,；在國外，超級計算的用戶,，都是波音,、福特汽車等大型、一流的企業(yè),。
其二,，應用軟件開發(fā)難度大。大型應用軟件,，從來是中國超級計算機發(fā)展的一塊短板,。“軟件說到底是一種文化。Windows操作系統(tǒng)的生態(tài)鏈非常豐富,，為它開發(fā)軟件的人很多,。但‘麒麟’系統(tǒng)還沒有形成生態(tài)鏈，所以使用性就會不足,。”“天河一號”常務副總設計師,、國防科大計算機學院院長廖湘科表示。專家表示,，要用好“天河”這樣的超級計算機,，必須在每個專業(yè)學科領域——工業(yè),、流體力學、結(jié)構仿真,、生命科學等都開發(fā)出專門的應用軟件,。而在我國，這類軟件的自主研發(fā)能力不足,，要依賴進口,，國外對這些軟件的出口往往采取限制措施。
其三,，超級計算機的核心部件還是由美國制造。比如,，“天河一號”中7168個GPU都是美國英偉達公司生產(chǎn),。入圍世界前500名的41部中國超級計算機之中，其中40部使用英特爾的處理器,，還有一部采用了AMD的處理器,。而我們的鄰國日本富士通公司正建造的一臺超級計算機，則完全依靠日本自己的技術,。
數(shù)字解讀“天河一號”
1,、投入力量
直接參與“天河一號”研發(fā)的科技人員有200多人，平均年齡為36歲,；投資為6億人民幣,，使用壽命預計為10年。
2,、運算速度
“天河一號”峰值運算速度為每秒4700萬億次,。做個換算對比：“天河一號”運算1小時，相當于13億人同時計算340年以上,。
3,、存儲容量
“天河一號”存儲容量為兩千萬億個字節(jié)。做個換算對比：“天河一號”可在線存儲一千萬億個漢字,，相當于存儲100萬漢字的書籍10億冊,。
4、總功耗和能效
“天河一號”滿負荷運行的總功耗是4.04兆瓦,，每小時耗電4040度,，24小時滿負荷工作耗電接近10萬度。
這個數(shù)字看起來很大,，但實際上它是一臺節(jié)能,、綠色的超級計算機，對能量的利用率很高,。
“天河一號”每瓦特能耗可實現(xiàn)每秒635.15百萬次浮點運算,，這個能效值僅低于目前能效排名世界第一的IBM“藍色基因”,。
5、安全性
“天河一號”具有高安全性的特點,，其操作系統(tǒng)軟件是國防科技大學自主研制的“麒麟操作系統(tǒng)”,，是目前國內(nèi)安全等級最高的操作系統(tǒng)，國內(nèi)唯一通過中國公安部B2級認證的操作系統(tǒng)(B2級是目前最高安全等級),。
因此,，“天河一號”的安全性有良好保障。
6,、體積和重量
“天河一號”由140個機柜組成,，每個機柜1.45米寬、1.2米深,、2米高,，排成13排，這個方陣占地約700平方米,，總重量約160噸,。站在“天河一號”前，會覺得“天河一號”氣勢宏偉,、震撼人心,。
但實際上，“天河一號”在世界上已有的千萬億次超級計算機中(多數(shù)占地近千平方米),，可謂是一個身材苗條的“小個子”,。
超級計算機“十”大用途
各國競相追求的超級計算機，到底能夠做些什么呢,？
很顯然,，日常經(jīng)濟、科技,、國防等領域存在一系列復雜,、大型的問題，都建立了越來越精細的物理模型,，都需要計算機求解,。
最復雜、最大型的一類被稱為“挑戰(zhàn)性問題”,，必須依賴同時代中運算速度最快的“超級計算機”,。
1.氣候預測：借助超級計算機預測氣候變化，從而減輕氣候變化給人類帶來的破壞,。
2.交通業(yè)：超級計算機可用來認識和改進汽車,、飛機或輪船等交通工具的空氣流體動力學、燃料消耗、結(jié)構設計,、防撞性,，并幫助提高乘坐者舒適度、減少噪音等,，所有這些都具有潛在的經(jīng)濟和安全收益,。
3.生物信息學和計算生物學：生物學已經(jīng)顯示出巨大的計算需求，超級計算機將幫助尋找疾病治療的革命性方法,。
4.社會健康與安全：比如,，污染、災難規(guī)劃以及針對本地和國家基礎設施進行的恐怖主義活動等,。
5.地震：對地震的模擬能幫助人類探索地震預測方法,，從而減輕與地震相關的風險。
6.地球物理探測和地球科學：比如石油的勘測問題,，這類問題具有潛在和巨大的經(jīng)濟效益,。
7.天體物理學：模擬時間進程并加速這種模擬的進程，從而對天體的演變進行建模和理論試驗,。
8.材料科學與計算納米技術：對物質(zhì)和能量的模擬是計算密集型的。
9.人類/組織系統(tǒng)研究：比如對大量人口的行為進行模擬,。
10.模擬核試驗：借助于超級計算機的強大而且快速的運算能力,，在實驗室實施的亞臨界核試驗，與真正核試爆的效果是相同的,。
超級計算機中國大事記
1992年國防科技大學研制出“銀河II”通用并行巨型機,，峰值速度達每秒10億次。
1993年中國研制成功“曙光一號”全對稱共享存儲多處理機,，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標準Unix操作系統(tǒng)設計開發(fā)的并行計算機,。
1995年曙光公司又推出了曙光1000，峰值速度每秒25億次浮點運算,，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階,。
1997年國防科技大學研制成功“銀河Ⅲ”百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒130億次浮點運算,。
1999年成功研制的“神威Ⅰ”計算機,，峰值運算速度達每秒3840億次。
2004年各方共同研發(fā)制造的曙光4000A實現(xiàn)了每秒10萬億次運算速度,。
2008年“曙光5000A”實現(xiàn)峰值速度230萬億次,、Linpack值180萬億次，“曙光5000A”可以完成各種大規(guī)?？茖W工程計算,、商務計算。
2009年10月29日中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生。
2010年5月31日曙光“星云”以Linpack值1271萬億次,，在第35屆全球超級計算機500強排名中,，列第二位。
2010年11月16日經(jīng)過全面系統(tǒng)升級的“天河一號”在第36屆500強排名中奪魁,。