“天河”如何重返世界第一

天河二号超级计算机系统

2010年11月16日，中国天河一号在世界超级计算机500强中位居第一。然而，仅在8个月之后，日本、美国的超级计算机就将天河一号“挤下擂台”。2013年6月17日，第41届世界超级计算机500强排名榜发布，天河二号以峰值每秒5.49亿亿次再次成为运算速度最快的超级计算机。

6月17日下午，湖南长沙，国防科技大学计算机学院天河楼一层。一个占地约720平方米的“黑色巨人”——天河二号超级计算机，正如往常一样安静地进行着它的运算任务。黑色面板上无数束蓝色灯光随着计算机的运行跳跃闪烁，远远望去就像是深邃太空中璀璨的银河一般。

与此同时，正在德国东部城市莱比锡召开的2013国际超级计算大会上，这位“黑色巨人”却吸引了来自全世界的目光。

当天，世界超级计算机TOP500组织正式发布第41届世界超级计算机500强排名榜，国防科技大学研制的天河二号超级计算机，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能，成为当今世界运算速度最快、综合技术领先的超级计算机。这也是继天河一号之后，中国超级计算机再次夺回世界第一的桂冠。

从一匹黑马到世界引领者

时光回溯到2010年11月16日，国防科技大学研制的天河一号在世界超级计算机500强中位居第一，中国人首次站到了超级计算机世界冠军的领奖台上。

然而，8个月以后，日本一台名为“京”的超级计算机就将天河一号挤下冠军台。之后，美国研制的“红杉”、“泰坦”超级计算机先后坐上世界第一的交椅，天河一号排名滑落至第8名。

国外媒体的各种质疑纷至沓来：“天河一号只是一匹黑马”、“中国的超算技术在世界领先只是昙花一现”。

面对来自世界超级计算机界的残酷竞争，2011年12月，国防科技大学的天河团队开始对新一代超级计算机的关键技术进行攻关。这一次，他们的目标是亿亿次级超级计算机，也就是说，计算能力要比天河一号提升10倍以上。

现在，横空出世的天河二号不仅远远超过了天河一号，与上一届世界冠军美国“泰坦”超级计算机相比也是遥遥领先。天河二号计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，体积却比它小了15%。

而天河二号的创新突破点，正是从天河一号的优势与不足开始的，“这是一个自我反省、自我超越的过程。”天河二号工程副总指挥李楠研究员对《中国科学报》记者说。

世界TOP500组织专家、美国田纳西大学教授杰克·唐加拉对天河二号的评价是：“中国元素、中国技术越来越多。”不仅如此，天河二号的体系设计已经成为超级机算机的一支重要流派，引领了世界超级计算机发展的潮流。

应用需求驱动的技术创新

体系结构是高性能计算机的“筋骨”。在天河一号研制中，国防科大研究人员在国际上首创了CPU＋GPU的异构融合计算体系结构。“这种结构最大的好处就是实现了超级计算机的低成本、低能耗、高性能。”李楠说，“但是在天河一号投入应用时，GPU的兼容性不强也给用户带来了一个小小的难题。”

天河一号所在的国家超算天津中心负责人、天河二号副总设计师朱小谦研究员对此深有感触：“天河一号为国内外600多家用户提供了超级计算服务，但是有些客户的软件与它不兼容，需要花相当一段时间对相关人员进行培训，学习编程。”

天河二号团队设计出的“异构多态体系结构”不仅继承了一号CPU结合加速器的传统，又增加了兼容性，实现了与客户软件的“无缝对接”。李楠解释说：“这就意味着，所有在英特尔芯片上使用的软件都能迅速在天河二号上运行，不需要再另外进行编程。”

“与美国、日本的超级计算机主要解决科学工程计算问题不同，在中国超级计算机是一个公共应用平台，不仅被用来解决科学研究的问题，还关系国家经济建设和社会发展。”天河二号工程总指挥、总设计师廖湘科研究员说，“天河二号主要应用于大科学、大工程以及产业升级和信息化建设领域。这就要求天河二号有更为高效的大数据处理能力、更高的吞吐率以及更高级别的信息安全服务。”

事实上，天河二号的几大领先国际的创新亮点：异构多态体系结构、微异构计算阵列、高速互连以及新一代高性能通用CPU飞腾-1500都是在应用需求牵引下的技术创新。

“我们不仅要研制世界性能最高的超级计算机，而且要研制稳定可靠、应用广泛的超级计算机，这是我们始终追求的目标。”朱小谦说。

科学“神器”离我们生活并不遥远

据《中国科学报》记者了解，作为广州超级计算中心的主机，天河二号今年下半年将在广州安家。届时，天河二号将为生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计、智慧城市、电子商务、云计算和大数据分析等多个领域提供高效服务。以基因分析为例，华大基因利用自有计算机系统需要一年才能做出的500人规模全基因组信息关联性分析，在天河二号上只需3个小时就能完成。

庞然大物、神秘高深，这或许是大众对超级计算机的印象。然而，在李楠的眼中，超级计算机不仅仅是科学家探知未知世界与预知未来的魔法工具，更是与我们生活息息相关的“神器”。

“色彩绚丽、功能强大的纳米材料服装，优质高产、更加营养的粮食，城市智能交通管理，以及许多大家以前只能在科幻电影里看到的智慧城市场景，在天河二号的帮助下这些梦想都能实现。”李楠说。 （记者 钟华 通讯员 王握文 蒋自成）