白瑞雪 喻 菲 王玉山

中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生之際，計算機專家對它的結(jié)構(gòu)、特點與功能進行了全方位解讀。千萬億次是一個質(zhì)的變化

隨著“天河一號”研制成功，中國高性能計算機的峰值性能提升到了每秒1206萬億次。這個數(shù)字意味著，“天河一號”計算一天，一臺配置Intel雙核CPU、主頻為2.5 GHz的微機需要計算160年。就共享存儲總?cè)萘慷?，“天河一號”的存儲量相當?個藏書量為2 700萬冊的國家圖書館。

在超級計算機不斷提高運算速度的過程中，千萬億次是一個難以逾越的“瓶頸”。

美國早在20世紀90年代就提出了做千萬億次巨型計算機的目標，直到2007年才實現(xiàn)。截至2009年6月，世界上僅有3臺千萬億次的計算機。

“國際計算機界認為，從百萬億次提升到千萬億次是個質(zhì)的變化，不可能通過單純擴大規(guī)模來實現(xiàn)，而是需要體系結(jié)構(gòu)上的改變”，國防科技大學教授竇文華說，“天河一號”采用了全新的多陣列可配置協(xié)同并行的體系結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升。竇文華認為，這種體系結(jié)構(gòu)具備構(gòu)建下一個量級，即萬萬億次計算機的能力，將會成為下一代高新計算機的主流結(jié)構(gòu)。

“某些領(lǐng)域的現(xiàn)實需求，已經(jīng)超出了目前巨型機的能力”，竇文華說，氣候預報、環(huán)境控制、飛行器設(shè)計、系統(tǒng)生物學等領(lǐng)域，都需要千萬億次甚至更高性能的計算機。因此，“天河一號”投八使用后，必將推動科學研究的發(fā)展。

七大技術(shù)四大特點

一臺千萬億次的“天河一號”，是否等于10個百萬億次巨型機之和，中國科學院院士周興銘說，系統(tǒng)的效能絕不是各單元計算效能的簡單疊加。

”如果用高性能微處理器直接堆出一個千萬億次的系統(tǒng)，功率會大得驚人，用戶可能連電費都付不起，同時機器的可靠性很低，根本無法穩(wěn)定工作。表面上看‘干活的器件多了，結(jié)果卻是‘三個和尚沒水吃”，周興銘說，“天河一號”采用7項關(guān)鍵技術(shù)，使得“一加一”的結(jié)果盡量接近“二”，從而發(fā)揮出機器最大的整體效能。

這7項技術(shù)包括多陣列可配置協(xié)同并行體系結(jié)構(gòu)、高速率擴展互聯(lián)通信技術(shù)、高效異構(gòu)協(xié)同計算技術(shù)、基于隔離的安全控制技術(shù)、虛擬化的網(wǎng)絡(luò)計算支撐技術(shù)、多層次的大規(guī)模系統(tǒng)容錯技術(shù)和系統(tǒng)能耗綜合控制技術(shù)。

周興銘介紹說，這臺計算機具有四大特點：

高性能。無論是1206萬億次的峰值性能，還是563.1萬億次的Linpack實測性能，均位于國內(nèi)榜首、世界一流。

低能耗。能耗是每瓦電創(chuàng)造的計算效能，“天河一號”目前能效為每瓦4.3億次運算，與2009年6月公布的Top500(全球超級計算機前500強)排名第的美國“走鵑”計算機相當。參照2009年6月公布的Green500(全球綠色超級計算機前500強)排名，“天河一號”位居第五。

高安全。“天河”實現(xiàn)了不同用戶問數(shù)據(jù)和工作信息的相互隔離。對用戶來說，相當于到銀行租個保險柜，鑰匙掌握在自己手里。

易使用?！吧倒匣钡牟僮鹘缑婧筒藛?、鼠標等常規(guī)操作，讓機器的使用變得簡單。同時，作為一臺國際通用的標準化超級計算機，“天河”上能運行來自各行業(yè)的各種程序，不存在兼容性問題。

公共服務(wù)設(shè)施承載三大功能

“天河一號”將于2009年底至2010年在天津市濱海新區(qū)落戶，成為國家超級計算天津中心的業(yè)務(wù)主機，面向國內(nèi)外提供超級計算服務(wù)。

“天河”工程辦公室主任李楠說，“天河一號”在投入使用后將實現(xiàn)三大功能。

第一，作為提供超級計算服務(wù)的全球公共科研設(shè)施，“天河”向國內(nèi)外用戶開放。無論身在何處，用戶都可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)使用“天河”進行科學計算。

第二，作為產(chǎn)業(yè)帶動平臺，“天河”上集中的當今時代最先進的信息技術(shù)將逐步轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)業(yè)，從而解決國家與社會發(fā)展中的各種問題。

第三，作為吸引人才的平臺，“天河”將進一步匯聚來自世界各地的尖端技術(shù)人才，對國民經(jīng)濟和世界科技的可持續(xù)發(fā)展做出更多貢獻。

李楠說，“天河”將用于石油勘探數(shù)據(jù)處理、生物醫(yī)藥研究、航空航天裝備研制、資源勘探和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理、金融工程數(shù)據(jù)分析、環(huán)渤海生態(tài)動力和污染數(shù)值模擬、基礎(chǔ)科學理論計算等方面。

能代替人腦嗎

“計算機無法代替人腦”，國防科技大學教授李思昆說，人腦與計算機的一個根本區(qū)別在于，人能夠發(fā)現(xiàn)規(guī)律，而計算機只能根據(jù)人發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和設(shè)計的方法進行計算。

李思昆說，超級計算機之所以能與人對弈，就是因為人們把下棋的規(guī)律轉(zhuǎn)化成了可以計算的模型。

“辯證法認為，世界是有規(guī)律的。但還有很多問題比如愛情，人類尚未發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律中也有可計算的和不可計算的。換句話說，只要人類能夠發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并且找到方法把規(guī)律變成可計算的問題，從而建立起物理和數(shù)學模型，計算機就能夠替代人類在這些問題中的勞動”，李思昆說。

人腦的奇妙性，讓科學計算與世界無限未知的哲學命題緊密相連。

僅就代數(shù)計算而言的話，“天河一號”1s能進行1206萬億次計算，人卻只能進行大約1次運算。然而，記住對方的長相，這樣一個人在瞬間就能完成的圖像識別工作，計算機卻要經(jīng)歷一個極其復雜的并行計算過程。

“今天看來不可計算的規(guī)律，在未來某天也許能夠進行計算，但人類又會不斷發(fā)現(xiàn)更多未知的領(lǐng)域和更多不可計算的規(guī)律”，李思昆說。