中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)占地E級(jí)高地

前不久，使用中國(guó)自主芯片制造的“神威·太湖之光”取代“天河二號(hào)”登上全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜首。其實(shí)在此之前，另一項(xiàng)世界紀(jì)錄也已“低調(diào)”產(chǎn)生，依托“神威·太湖之光”，利用自主研發(fā)的并行計(jì)算軟件ScETD-PF，中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心（以下簡(jiǎn)稱中科院網(wǎng)絡(luò)中心）實(shí)現(xiàn)了使用全機(jī)系統(tǒng)900萬核的并行計(jì)算規(guī)模，實(shí)測(cè)性能達(dá)到峰值性能的40%，是目前世界上最大的并行計(jì)算，遙遙領(lǐng)先于國(guó)際同類計(jì)算機(jī)模擬水平。

可能大多數(shù)非業(yè)內(nèi)人士并不能完全理解這一成績(jī)的意義，但在中國(guó)超算不斷沖擊世界第一桂冠的路上，除了贊譽(yù)和掌聲外，質(zhì)疑和反思也一直沒有間斷過，比如高昂的能耗費(fèi)用、實(shí)際利用率低、應(yīng)用軟件開發(fā)周期過長(zhǎng)、人才梯隊(duì)儲(chǔ)備不足等等。甚至有人尖銳的提出，占有量和運(yùn)算速度誠(chéng)然是一個(gè)“聽起來爽”的指標(biāo)，但如果沒法用起來，再高的計(jì)算能力也只是一個(gè)讓人迷醉的數(shù)字。

“脫離軟件開發(fā)利用，超算就是一堆破銅爛鐵。同樣，光有高性能機(jī)器，沒有人才做高水平的服務(wù)，那機(jī)器過5年就過時(shí)了。”在中科院網(wǎng)絡(luò)中心副主任、計(jì)算科學(xué)應(yīng)用研究中心主任遲學(xué)斌看來，除了要做好基礎(chǔ)研究、前沿研究之外，更要在超算應(yīng)用的軟件通用性、行業(yè)專用性和軟件工程化等方面取得突破。

并行計(jì)算：20年獨(dú)磨一劍

對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)，中國(guó)與國(guó)外的建設(shè)方式略有不同，以美國(guó)為例，超級(jí)計(jì)算機(jī)的建設(shè)方研發(fā)的目的都是自用，一般是先有計(jì)算量需求，根據(jù)所需計(jì)算量設(shè)計(jì)系統(tǒng)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的架構(gòu)方式。而中國(guó)則是先進(jìn)行建設(shè)，盡力提高性能，嘗試滿足更高的計(jì)算需求。

“其實(shí)無論是先用后建，還是先建后用，能滿足應(yīng)用的計(jì)算機(jī)即是最佳計(jì)算機(jī)。尤其是千萬億次計(jì)算時(shí)代的到來，僅靠簡(jiǎn)單地使用更多的處理核來執(zhí)行原有的并行應(yīng)用程序已不可能，這就需要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行深度的并行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)良的并行算法。”在遲學(xué)斌看來，中國(guó)超算的超前發(fā)展是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但只有抓住并行計(jì)算這個(gè)“牛鼻子”，才能提高計(jì)算效率和應(yīng)用領(lǐng)域。

從1997年開始，圍繞大氣、物理、化學(xué)、海洋、金屬材料等領(lǐng)域，中科院網(wǎng)絡(luò)中心一步步的完善自己的基礎(chǔ)算法庫，并在數(shù)學(xué)方法上進(jìn)行創(chuàng)新。

“以此次現(xiàn)場(chǎng)模擬為例，為了與‘神威’系統(tǒng)緊密結(jié)合，從程序?qū)崿F(xiàn)、軟件開發(fā)到大規(guī)模并行計(jì)算的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證用了近3年的時(shí)間，僅算法就寫了一萬多行。”中科院計(jì)算科學(xué)應(yīng)用研究中心研究員張鑒告訴記者。

“一個(gè)超算中心在其生命周期之內(nèi)，能夠解決一個(gè)問題，就有可能為某一個(gè)領(lǐng)域、某一個(gè)行業(yè)省下十幾年、幾十年的時(shí)間跨度，這個(gè)價(jià)值用錢沒法算。”遲學(xué)斌認(rèn)為，超算應(yīng)用的發(fā)展需要長(zhǎng)期持續(xù)地投入和積累，才能在未來某一個(gè)時(shí)間看到明顯效果。

一組數(shù)字就很能說明問題，截至2015年12月，中科院超級(jí)計(jì)算環(huán)境已經(jīng)面向用戶提供了計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)、材料科學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的87個(gè)并行應(yīng)用，累計(jì)開通外部賬號(hào)498個(gè)，累計(jì)提交有效網(wǎng)格作業(yè)逾55萬個(gè)，累計(jì)使用機(jī)時(shí)已超過1.2億CPU小時(shí)。

瞄準(zhǔn)應(yīng)用：搶占E級(jí)高地

打開中科院超級(jí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署圖，一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的超級(jí)計(jì)算環(huán)境已具雛形，“總中心—分中心—所級(jí)中心”聚合了逾千萬億次的計(jì)算能力，而且每層結(jié)構(gòu)都建立了面向相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)運(yùn)維與應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)。

“隨著神威26010軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)應(yīng)用平臺(tái)的需求更加多樣化的，要滿足不同類型用戶的需求，人才隊(duì)伍的多元化發(fā)展至關(guān)重要。在超算中心每個(gè)研究人員可以自行選擇喜歡的領(lǐng)域，我們沒有任務(wù)指標(biāo)，也沒有考核，也不要求大家發(fā)文章。”遲學(xué)斌告訴記者。

在張鑒看來，這種組合方式就如同一支支隨時(shí)準(zhǔn)備打仗的部隊(duì)，盡管大家專注的領(lǐng)域不同，但有一根弦始終緊拉著，那就是圍繞并行計(jì)算開展服務(wù)和研究，一旦有任務(wù)就能頂上去。

不求聞達(dá)、不事張揚(yáng)是這支隊(duì)伍的真實(shí)寫照，但也正是有了這種支撐，中科院內(nèi)外的許多科研工作才得以碩果累累。

數(shù)據(jù)顯示，“十二五”期間中科院超級(jí)計(jì)算環(huán)境用戶發(fā)表論文數(shù)量不斷攀升，各類論文共2724篇，其中絕大多數(shù)是SCI論文。更加可喜的是，中科院網(wǎng)絡(luò)中心基于“神威·太湖之光”的“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場(chǎng)模擬”成功入圍國(guó)際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)——戈登貝爾獎(jiǎng)提名。

“這不僅是中國(guó)團(tuán)隊(duì)首次入圍，更打破了西方發(fā)達(dá)國(guó)家的壟斷，說明我們國(guó)家不僅能夠造好的計(jì)算機(jī)，也能用好計(jì)算機(jī)。”盡管在遲學(xué)斌的口中只是“造”和“用”的細(xì)微區(qū)別，但這一字卻凝結(jié)了中科院網(wǎng)絡(luò)中心人不忘初心的決心和堅(jiān)持。

談及未來的研究重點(diǎn)，遲學(xué)斌說，“E級(jí)超算被全世界公認(rèn)為‘超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠’，我們要搶占這個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)為其提供支撐服務(wù)，同時(shí)還要針對(duì)行業(yè)重大應(yīng)用需求和企業(yè)重大目標(biāo)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，提供應(yīng)用計(jì)算服務(wù)，研發(fā)并行軟件等等。”（李建榮）