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[转帖]天河2号如何重返第一:体积比第二还小15%

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发表于 2013-6-19 01:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

    图为天河二号超级计算机系统。(新华社图片)

    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。

    ■记者钟华通讯员 王握文 蒋自成

    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。




    图为天河二号超级计算机系统主机机房。

    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。
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    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。



    图为“天河二号”超级计算机研发团队。

    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。




  国外专家评估“天河二号”超级计算机。



    “天河二号”的计算单元采用美国英特尔公司的CPU芯片,目前中国还无法摆脱对外国芯片的依赖,但是在“天河二号”全部的125台服务器阵列中均采用了国产的FT-1500通用CPU。这是中国国家重大科技专项的成果。

http://news.xinhuanet.com/mil/2013-06/18/c_124870834.htm

 楼主| 发表于 2013-6-19 01:15 | 显示全部楼层
转贴:超级计算新巅峰--国产天河二号小科普


http://club.kdnet.net/dispbbs.asp?page=1&boardid=1&id=9290484

    我国超级计算机继得到超级电脑冠军的“天河一号A”(Tianhe-1A)之后,中国国防科技大学再打造“天河二号”(Tianhe-2),其运算性能已达54.9 petaflop/s,有望在今年的ISC13的Top500发布中取得更好的表现。
  
    这套系统的大部分功能都是中国研发的,只使用了Intel作为主计算部分。互连网络、操作系统、前端处理器、软件都是中国自己的

    天河2将会由16000个浪潮的节点组成,每个节点有2颗基于Ive Bridge-E Xeon E5 2692处理器和3个Xeon Phi,累计共有32000颗Ive Bridge处理器和48000个Xeon Phi,总计有312万个计算核心。
  每个Xeon Phi使用其中的57个核心,而不是使用全部的61个,因为使用61个在运算周期协调方面会有问题,而使用57个核心能够加速4个执行线程,并且在每个线程单周期可以达成4flops的运算量,运行在1.1GHz的Xeon Phi可以生产1003 Tflops的双精度运算能力。如果考虑CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2个Ive Bridge+3个Xeon Phi单个节点可以有3.431 Tflops运算能力,16000个节点总计可达54.9PFlops性能。每个运算节点有64GB主存、而每个Xeon Phi板载8GB内存,因此每个节点共有88GB内存,总计16000个节点一共有1.404 PB内存,而外部存储器容量方面更是高达12.4PB.
   
   计算节点的前端处理器为4096个FT(飞腾 )-1500处理器所谓计算节点的前端处理器就是运行操作系统和计算调度软件及输入输出功能的处理器), FT-1500处理器是由国防科技大学为天河1研发,其可以说是天河1项目的最大收获,其为16核心的Sparc V9架构处理器,在40nm工艺情况下运行频率为1.8Ghz,峰值性能为144 Fflops/s,功耗为65W,但相比英特尔22nm 12核 2.2GHz 211Gflops/s性能的Ive Bridge还是有明显差距。

    天河2互联方面采用自主研发的 Express-2 内部互联网络,其为有13个交换机,而每个交换机有576个端口。连接介质为光电混合。具体控制器是名为NRC的ASIC专用目的集成电路(专用交换集成电路,是专为这个体系架构设计的,还要连接存储),其采用90nm工艺,封装尺寸为17.16x17.16 mm,共有2577引脚。单个NRC的吞吐能力为2.56Tbps.而在终端方面网络接口也采用类似结构的NIC,但规模稍小,为10.76x10.76 mm, 675 pin,其采用PCIE 2.0方式连接,传输速率为6.36GB/s.并且在在12000节点的情况下延迟也很低,仅为85us.

      系统的整体功耗为17.6 MW(可以供一个2-3万人口的小城镇生活用电使用),并且这个功耗还不包括水冷这样的散热系统,如果考虑上整体功耗将高达24MW,广州国家超算中心将采用城市供水系统构建高散热效能的冷却系统,有能力可以提供80KW系统的散热能力。

     天河2虽然并不是最早采用英特尔Xeon Phi(这是Intel推出的60核心协处理器,用来完成复杂运算,是和天赛GPU竞争的,天河二号使用它和Intel的至强处理器构成计算节点,美国的泰坦使用的是基于天赛GPU的异构架构)的超级计算机,但其却对Xeon Phi却有至关重要的意义,天河2号对于Xeon phi的采用使得其在与Tesla的竞争中稳稳占到上风,并给予Tesla KO般的致命一击。天河2号的意义不仅在于登顶超算排行TOP1,相比天河1和其他基于GPU的异构超级计算机,其在应用范围上更广、整体效率更高,相比在浮点计算精度、分支预测存在天生缺陷的GPU异构计算有更大的实用价值。天河2采用Xeon Phi,可以说代表HPC并行计算到达新的层次,迎来Xeon Phi并行计算的新时代,同时也预示着以NVIDIA Tesla为代表的GPU异构超算逐渐走向死路末途。

    操作系统是国产的麒麟Linux,编译器icc,数学库Intel MKL-11.0.0,MPI并行编程采用MPICH2加定制GLEX通道。


发表于 2013-6-19 09:18 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2013-6-24 15:52 | 显示全部楼层
逐梦“超算”之巅——“天河二号”夺冠之旅
2013年06月23日09:49   来源:光明日报
        

图为“天河二号”超级计算机系统。 本报通讯员 何书远摄

  从2010年11月14日“天河一号”排名世界第一,到今天“天河二号”再登世界“超算”之巅;从“天河一号”峰值计算速度每秒4.7千万亿次,到“天河二号”每秒5.49亿亿次,实现由千万亿次级(1015)到亿亿次级(1016)的跨越,国防科学技术大学“天河”超级计算机创新团队逐梦“超算”之巅,不断超越自己,不断创造“中国速度”。

  交出一份精彩答卷

  “中国要搞四个现代化,不能没有巨型计算机!”1978年,邓小平高瞻远瞩,把研制巨型计算机的任务交给国防科大。

  上个世纪80年代初,面对西方的技术封锁,以慈云桂教授为代表的第一代科研人员艰苦探索、艰难攻关,仅用5年时间就研制出我国第一台被誉为“争气机”的亿次巨型计算机,使我国成为继美国、日本之后能够独立设计和制造巨型机的国家。

  在国内超级计算机刚刚突破10万亿次的2005年,国防科学技术大学就已经吹响了进军千万亿次系统的冲锋号。而作为国家科技部“863计划”信息技术领域“高效能计算机研制”的重大项目,“天河二号”的关键技术攻关从“天河一号”问世那天就开始了。探索一代、预研一代、研制一代、装备一代,面对超级计算机每10年性能提高1000倍的发展规律,起步晚、技术基础薄弱的中国“超算”事业充满紧迫感。这次冲锋,“天河”团队创造出CPU和GPU相结合的异构融合计算体系结构,突破一系列核心关键技术,研制成功“天河一号”超级计算机,于2010年11月首次将五星红旗插上超级计算的世界之巅。

  超级计算领域的国际竞争异常激烈。从2011年到2012年短短两年时间里,日本的超级计算机“京”、美国的“红杉”和“泰坦”等就超过“天河一号”。人们将目光投向国防科大:难道“天河一号”就这样昙花一现?面对疑问,“天河人”很坦然,因为他们的头脑清醒。在“天河一号”夺得世界第一之时,他们就对国际超算发展状况作出了“三个没有改变”的判断:西方在信息技术领域的优势地位没有改变,美国在超级计算领域的主导地位没有改变,世界强国争夺超级计算机领先地位的态势没有改变。为此,他们在做好“天河一号”推广应用的同时,迅速展开新一代超级计算机关键技术攻关;还与广东省、广州市、中山大学签署合作协议,共建广州超级计算中心,为“天河二号”的研制注入强劲动力。最终,从“天河一号”首次夺得世界第一,到“天河二号”再次摘取世界超算桂冠,“天河人”只用了不到3年时间。

  从“银河”到“天河”,从“天河一号”到“天河二号”,“天河”团队为了完成国家使命,以超前的眼光逐梦“超算”世界,交出了一份精彩答卷。

  留下“中国创造”印记

  今年5月,我国主办“高性能计算国际论坛”,国际“超算”领域的权威专家与会并实地考察“天河二号”,纷纷给予高度评价——

  世界TOP500排行榜编撰人之一、美国田纳西大学杰克·唐加拉教授说:“‘天河二号’与美国的‘泰坦’大小相当,速度却高出两倍,制造这样强大的系统需要很强的技术,这是一台令人印象深刻的系统。”

  德国尤利希科学中心的塞巴斯第安·施密特教授说:“‘天河二号’是世界最好的计算机之一,它有着非常出色的表现,我十分肯定它可以解决科学领域的很多问题。”

  日本筑波大学参加过“京”系统研制的大介博库教授说:“这是一部非常紧凑的机器,具有巅峰的性能表现,它真的是技术上的很大进步。”

  “天河一号”采用的“CPU+GPU异构融合体系”,是一条不同于此前任何系统的技术路线。两年多来,因其低能耗、低成本、高集成度等优点,这种结构成为国际主流。在此基础上,“天河”创新团队又迈出大胆创新的一步,为“天河二号”设计出“新型异构多态体系结构”,这种结构不仅大幅度提高系统的计算速度,还将其应用从科学计算拓展至大数据处理、大规模信息服务等多个领域。

  “天河二号”的多项自主关键技术令世界瞩目:高速互连系统性能是当前国际商用互连系统的两倍,综合化能耗控制机制实现了国际先进的能效比,“飞腾1500”CPU构建出高安全高吞吐率的服务阵列,高密度高精度组装结构使得这台系统的占地面积与“天河一号”相当、性能却提升了11.6倍……“体系结构之路上,中国人在拉着世界往前走。”中国科学院软件所研究员张云泉说。

  从局部突破到综合技术领先,从奋力追赶到逐步超越,世界超级计算机的发展史上已留下“中国创造”的深深印记。

  坚守“银河精神”高地

  如果说数十年的技术积淀和“计算机+多学科”的融合优势,是“银河”赋予“天河”的技术财富;那么,“胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏”的“银河精神”,就是“天河人”永远坚守的精神高地。

  “天河人”每天工作十几个小时,全年仅春节期间休息3天。每一项技术的背后,都是超常的付出:仅仅为了将网络互连软件的性能参数调整到适应硬件的最佳状态,“天河人”在3个月里进行了上亿次测试实验。像“天河一号”一样,“天河二号”的很多新成果,都是在凌晨三四点钟产生的;每到这个时候,灯火通明的“天河楼”一片欢腾,大家会兴奋地打电话告诉在外地出差的同伴们。

  “天河人”是视事业高于一切的奉献者。他们恨不得把全部精力用来与时间赛跑,在孩子出生当天,科研人员杜云飞因工作需要进入封闭攻关基地,无法照顾妻儿,但他毫无怨言,他说:“天河也是我们的孩子”;在“天河二号”系统进入关键调试阶段,田宝华家中老人病重,他不能分身在亲人临终前相见一面。

  “天河人”是朝气蓬勃的年轻科研团队,其平均年龄不到40岁。

  曾经参与“天河一号”研制的年轻技术人员,如今已成长为“天河二号”研制的骨干力量;而在“天河二号”研制过程中,又有23名本科生直接参与系统研制。学员邬会军在参与工程实践的过程中撰写的一篇优秀论文,被“国际网络与信息安全国际学术会议”录用。一代代“天河人”接力前行,成为支撑我国未来高性能计算的脊梁。

  (本报记者 陈劲松 本报特约记者 吕 超 本报通讯员 李 治)

http://cpc.people.com.cn/n/2013/0623/c64094-21938976.html

 楼主| 发表于 2013-6-24 16:10 | 显示全部楼层

天河2号亮相国际超算大会 性能远超业界预计

2013-06-23 12:53:57 来源: 人民日报(北京) 
                              
核心提示:在近日于德国莱比锡举行的2013国际超级计算大会上,中国天河二号超级计算机展示了计算模块样品。天河二号副总设计师、国防科技大学计算机学院副院长卢凯教授称天河二号远远超出了业界预计。
                                       

资料图:中国研发的世界最快计算机“天河二号”。
  在近日于德国莱比锡举行的2013国际超级计算大会上,中国天河二号超级计算机展示了计算模块样品,参观者络绎不绝,不时有专业人士对计算模块样品近距离拍照。
  “天河二号成了本次会展的明星”,天河二号副总设计师、国防科技大学计算机学院副院长卢凯教授在展台告诉本报记者,“前来洽谈科研、应用和商业合作的业内人士非常多,品牌效应非常明显。”
  “对于天河二号在世界夺冠,业内反响既惊讶又平静。”卢凯说,惊讶是因为天河二号的研发速度和性能,远远超出了业界预计;平静则是因为,中国在超级计算机领域的技术实力,已经得到业内认可。“大家不再怀疑中国是否能做出这么先进的机器,而是对天河二号的技术突破以及如何进行后续的研发合作和应用开发非常感兴趣。”
  用老方法设计一款新车型,从样品到投入生产,大概需要依次建造80个模型;如果用高性能计算机,通过修改几个参数,就可以完成所有撞击测试
  “如果说机床是制造机械的机械,那么超级计算机就是实验室的实验室,”卢凯向记者解释天河二号对于科技创新的重要性。“它代表中国从简单制造、高端制造到产品自主创新这一从产业链低端向上游攀登的发展趋势。”
  上海超算中心副主任王普勇教授对记者说,超级计算机不仅代表了最高科技,同时也是中国进行基础学科研究、技术创新、产品创新、走创新型道路的重要“实验室”,其带来的长远社会经济效益不可估量。
  应用超级计算机的基本原理是通过建立虚拟模型,对原本需要进行物理世界实验验证的理论、数据和产品进行模拟实验。在现代的物理、化学、生物等产生诺贝尔奖的基础学科领域,做研究均离不开用高性能计算机进行模拟实验。
  超级计算机的应用还与普通人日常生活息息相关。人们使用的手机、电脑等都可通过超级计算机的模拟进行优化和改良。“最明显的一个例子是汽车模型设计,”王普勇介绍说,用传统的方法,设计一款新车型,从样品到投入生产,大概需要依次建造80个模型。如果用高性能计算机来设计,在建立模型之后,通过修改几个参数,就可以完成所有撞击测试。“其精确度达到90%!”在这样的测试基础之上,只要再按照最后模型进行七八次现实样车测试,就能诞生一款新车。
  在节能环保和气候变化领域,超级计算机也大有可为。发电机、鼓风机等所有流体叶轮的形状,都涉及最佳能效问题。据粗略统计,叶轮机械耗电占耗电总量的约1/3。如果通过超级计算机模拟流体机械效能,能提高这些机械哪怕一个百分点的能效,就可以减少巨大的能源浪费。
  天津高性能计算中心孟翔飞博士表示,以前进行气候变化谈判时,中国二氧化碳排放对大气的影响只能听从其他国家模拟测定的数据。自从中国科学家用天河一号建立了气候变化模型,中国不仅拿出了自己的气候影响依据,而且建立的模型还成为国际公认的模型标准,为中国在该领域赢得了话语权。
  华中科技大学代表队搭建的超级计算机夺得“最佳计算性能奖”,并以每秒8.45万亿次的浮点运算速度刷新全球大学生超算竞赛的赛事纪录
  “机器有了,如何把机器应用起来,真正发挥创新功能,是接下来主要努力方向。”卢凯说,有了硬件还要有软件。“超级计算机应用领域很广,这表明不同领域都要有专门的应用软件来实现相应功能。”随着中国产业转型升级,目前市场对超级计算机应用的需求在不断增加。
  作为高精尖技术,发挥超级计算机“超级”功效,离不开相关人才的培养。卢凯介绍,应用超级计算机通常需要复合型人才,既要懂超级计算机的操作和运用,还要懂相应的学科专业,缺一不可。

本月19日,本次国际超算大会举办的国际大学生超级计算竞赛成绩揭晓,中国华中科技大学6名本科生组成的代表队搭建的超级计算机夺得“最佳计算性能奖”,并以每秒8.45万亿次的浮点运算速度刷新全球大学生超算竞赛的赛事纪录。此外,清华大学代表队计算机性能也超过每秒8万亿次的运算速度,位居前三名。
“大学生创造力往往超越了工程师,”赞助两支中国大学生代表队的浪潮集团高性能计算总监刘军说。超算大赛可以激发学生对超算的热爱,挖掘、培养超算人才,并推进跨国交流。
国际高性能计算咨询委员会主席吉拉德·沙因纳说,去年中国国防科技大学获得“最佳计算性能奖”,“中国学生连续两年取得如此优异的成绩,体现了中国在超算人才培养方面的投入。”他认为,培养下一代的超级计算机科学家与制造超级计算机本身同样重要。

http://war.163.com/13/0623/12/922AFM3700011MTO.html
 楼主| 发表于 2013-6-24 16:13 | 显示全部楼层

天河2号系统研发记事:自主创新造就中国速度

2013-06-23 09:06      新华网
                                                                                                                                                                                
  新华社北京6月22日电(白瑞雪、李宣良、吕超)熠熠星空,浩瀚天河。
  随着世界超级计算机500强排行榜6月17日揭晓,国防科技大学研制的天河二号成为全球运算速度最快的计算机。
  短短两年半,从天河一号排名世界第一到天河二号再登世界超算之巅,天河计算机的峰值性能从4.7千万亿次提升至5.49亿亿次。这是中国超级计算机相继刷新世界纪录的计算速度,也是国防科大以自主创新的信心勇气和艰苦实践不断攀登世界科技高峰而创造的“中国速度”。

  在国家使命中只争朝夕,战略需求驱动创新

  在国内超级计算机刚突破10万亿次的2005年,国防科大就吹响了进军千万亿次系统的冲锋号。而作为科技部863计划信息技术领域“高效能计算机研制”重大项目,天河二号的关键技术攻关,从天河一号问世那天就开始了。
  探索一代、预研一代、研制一代、装备一代,面对超级计算机每10年性能提高1000倍的规律,起步晚的中国超算事业充满紧迫感。“对国际发展趋势进行分析后,我们瞄准亿亿次级机器的研制,决心在引领世界超算发展中作出新贡献。”国防科大校长杨学军说。
  2010年12月,天河二号正式启动方案设计。2013年5月,系统完成研制。
  如果说前瞻性的战略部署为天河二号的研制搭建了坚实阶梯,建设创新型国家的战略需求则为天河二号的诞生注入了强劲动力。
  国家超级计算天津中心的报告表明,通过天河一号带动了产业升级的许多用户,很快又提出更高需求。当天河二号以更新状态亮相,他们惊喜地发现:大规模石油勘探数据处理,天河二号的速度是天河一号的10倍以上;气候历史变化模拟,天河一号模拟到2000年前,而天河二号能模拟到20000年前甚至更远……
  这是一场激烈的竞赛。2011年到2012年间,日本“京”、美国“红杉”和“泰坦”系统先后超过天河一号。
  “你追我赶的背后其实是国家综合实力的较量。”国防科大政委王建伟说,“我们决不能有丝毫骄傲、丝毫自满、丝毫懈怠。”
  上世纪80年代初,面对西方的技术封锁,以慈云桂为代表的科研人员同样是以这种只争朝夕的精神奋力拼搏,使我国成为继美国、日本之后能够独立设计和制造巨型机的国家。
  今天,国家使命面前,重返世界第一的天河二号再次交出精彩答卷。

  在中国创造中跨越发展,核心技术实现创新

  用什么样的“筋骨”打造一个高性能、低功耗的系统,一直是世界计算机科学家们关注的焦点。
  “CPU+GPU异构融合体系”,是天河一号独创的技术路线。两年多来,因其低能耗、低成本、高集成度等优点,这种结构成为国际主流。在此基础上,科研人员迈出创新的又一步,为天河二号设计出“新型异构多态体系结构”,不仅大幅提高了系统的计算速度,还将其应用从科学计算拓展至大数据处理等多个领域。美国、德国、日本等国科学家预言,天河将再次引领世界超算结构的发展潮流。
  关键技术是买不来的——从我国超算事业起步开始,科技工作者就深谙这个道理。中国智慧的一次次迸发,正是来源于不断突破关键核心技术的壮丽实践。
  天河二号多项自主技术令世界瞩目:高速互联系统性能是当前国际商用互联系统的两倍,“飞腾1500”CPU构建出高安全高吞吐率的服务阵列,高密度高精度组装结构使其占地面积与天河一号相当、性能却提升了11.6倍……
  “‘中国技术’推动世界亿亿次级超算水平跃上新的高度,也极大增强了国产超级计算机的自主可控能力。”天河二号总设计师廖湘科说。
  从局部突破到综合技术领先,从奋力追赶到逐步超越,虽然我国在信息技术领域与西方发达国家仍有差距,世界超级计算机发展史上已留下“中国创造”的深深印记。

  在团结协作中奋勇拼搏,年轻人才延续创新

  国防科大整合优势科研资源,合力打造天河二号。副总质量师胡庆丰说,团队成员对每一个技术和工程细节都不肯放过,唯独名利未挂在心上。
  如果说技术积淀和“计算机+多学科”的融合优势是“银河”赋予“天河”的技术财富,“胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏”的“银河精神”就是天河人永远坚守的精神高地。
  这是一群极其勤奋的科学家,每天工作十几个小时,全年仅春节期间休息了三天。机器的新速度大多是在凌晨三四点钟算出来的。每到这时,灯火通明的“天河楼”一片欢腾,大家还会兴奋地打电话告诉在外地出差的同伴们。
  这是一群视事业高于一切的奉献者。有人在孩子出生当天进入封闭攻关基地而毫无怨言,因为“天河也是我们的孩子”。有人在亲人临终时无法相见,只能在系统调试完成后去墓地献上一束鲜花。
  这是一群朝气蓬勃的年轻人,平均年龄不到40岁。在天河一号工程中成长起来的年轻技术人员,如今已是天河二号研制的骨干力量。此外,还有23名本科生直接参与系统研制。
  他们,是我国超算事业生生不息的源泉。

http://mil.huanqiu.com/china/2013-06/4054498.html
 楼主| 发表于 2013-6-24 16:16 | 显示全部楼层
从天河二号谈起 超级计算机的今生后世
日期:2013-06-24 09:27:44  来源:经济日报

  图为天河二号工程研究人员查看系统运行情况

  6月17日,最新全球超级计算机500强排行榜榜单公布,中国国防科学技术大学研制的天河二号以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度,成为全球最快的超级计算机。这是时隔两年半后,中国再一次获得世界超级计算机运算速度第一的桂冠。
  在2013国际超级计算大会上,专家们认为,天河二号的性能表明,中国的超级计算机取得了飞跃。超级计算机的开发,已经真正进入了美中日欧并立的四强时代。
  为何还得用外国芯?
  时至今日,计算机早已成为进入千家万户和厂矿学校的日常工具,大众对其并不陌生。然而什么是超级计算机?
  其实,超级计算机的基本组成与你我手中的个人电脑相比并无太大差异,规格与性能则强大太多。以处理器CPU为例,目前的个人电脑一般是两到四核,而像天河二号这样的超级计算机则会集成数以万计的CPU。这就好比双人战斗小组和集团军的区别,前者灵活机动,用于完成各种个性化小任务;后者威武雄壮,用于达成各类关系重大的战略目标。
  在超级计算机超级运算速度下,人们可以完成普通计算机不能完成的大型复杂课题。假设每人每秒钟进行1次运算,需要我国13亿人同时用计算器算上1000年才能完成的运算工作,天河二号花上1小时就能搞定了。
  天河二号的性能在全世界超级计算机中可以称得上是“一骑绝尘”,它把第二名远远地抛在了后面。排行榜主要编撰人之一、美国田纳西大学教授杰克 唐加拉曾于今年5月对天河二号进行了现场考察。他在研究报告中指出,标准测试显示,天河二号运算速度比排行榜上的亚军——美国的“泰坦”快了74%。唐加拉表示:“天河二号颇富中国特色,互联网络、操作系统、前端处理器、软件等都主要由中国技术人员发明创造。”
  一骑绝尘的天河二号是中国人的骄傲,但这种骄傲里也不乏遗憾:天河二号的计算阵列由国际商用CPU构建,服务阵列由中国自主研制的CPU“飞腾1500”构建。国产CPU仅仅占全部CPU的1/8。
  当然,人们也可以从另一个角度看成绩,比如说,国产CPU已经占全部CPU的1/8。美国劳伦斯伯克利国家实验室副主任霍斯特 西蒙就是采取的这种视角。他表示,尽管天河二号仍主要采用英特尔公司芯片,但中国自主研发的芯片达到4000块左右,显示出中国超级计算机对国外技术的依赖正在减弱。“在一些美国传统的领先领域,中国正切切实实地加入比赛,并且获得胜利。”
  为什么有了中国芯,天河二号还得用外国芯?
  天河二号副总指挥、新闻发言人李楠坦陈,天河二号无法完全使用国产CPU,是出于软件兼容性的需要。
  超级计算机有5个核心要素:体系结构、互联技术、操作系统、CPU和应用软件,缺一不可。李楠说,天河二号独创的异构多态体系结构(见链接1)很可能再次引领国际潮流,自主研发的高速互联性能是国际商用产品的两倍,国产“麒麟”操作系统具有很高的安全性。“因此,前三个要素我们都解决得很好,但后两个要素是短板。
  “飞腾1500”性能比用于天河一号的“飞腾1000”提高了18倍,与国际商用CPU已经属于同一代产品。但目前我国大多数大型应用软件都从国外引进,只能在国际商用CPU上运行。如果全部使用国产CPU打造超级计算机,将只能用于天气预报等我国拥有自主知识产权应用软件的行业。而天河二号需要面向各领域用户,只能用国际商用和国产的CPU共同构建系统。

  【链接 ①】
  异构多态体系结构:
  体系结构是超级计算机的筋骨。
  我国科技人员首创的独具匠心的“CPU+GPU异构融合体系”曾在天河一号中获得成功。之后,这种结构已被国际上很多超级计算机采用。
  这一回,中国设计师们再辟蹊径:天河二号没有继续使用GPU,而是用被称为MIC的英特尔部件作为加速器。这一被称为“新型异构多态体系结构”的全新搭配方式不仅大大提高了机器的计算速度,还将天河二号的应用从科学计算拓展至高效大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多个领域。
  第一名的大旗 能扛多久?
  风云变幻的世界超级计算机500强排行榜,鲜明地体现着“皇帝轮流做,明年到我家”的自由竞技精神。冠军的宝座常常不等捂热,就被新的竞争对手夺去。天河二号的哥哥天河一号曾于2010年夺冠,此后不足8个月,就被日本的超级计算机“京”超越。
  所以人们不禁要问:对天河二号来说,第一名的大旗能扛多久?
  大多数专家认为,因为领先第二名太多,天河二号的冠军称号应该至少能保持一年,没准还能维持到2015年。内存总容量1400万亿字节、存储总容量12400万亿字节、最大运行功耗17.8兆瓦的天河二号,与第二名(也是前冠军)的美国“泰坦”相比,持续计算速度约是“泰坦”的2倍,计算密度是“泰坦”的2.5倍,能效比则相当。
  中国科学院超级计算中心主任迟学斌的统计表明,最近10年,美国超级计算机性能提升了500倍,中国超级计算机性能则提升了5000倍。这意味着中国超算的发展速度和发展潜力已经进入世界领先行列。
  3年中两度研发出全球速度最快的超级计算机,短短十几年里拥有超级计算机的数量从零跃居世界第二,这个成绩显示了中国科技实力的巨大进步。不过美国仍是超级计算机运用最为广泛的国家,因为超级计算机500强中,有超过一半属于美国。日本、欧洲也实力强劲,今后的国际竞争将会非常激烈。
  过去30年,高性能计算机发展惊人,其性能每10年提高1000倍。如今,一台个人掌上电脑Ipad2的速度,就相当于1985年的超级计算机世界冠军Cray2。超级计算机的发展速度甚至超过了广为人知的摩尔定律。(见链接2)
  未来的超级计算机将是什么模样?在一些科幻小说及电影中,人们已经设想了更高级的超级计算机,例如将全球电脑融为一体的超级电脑。但现实中的竞争如此激烈,理想中的合作是否可能?
  科学家们对此表示了乐观的态度,李楠就从中看到了合作机遇。他说,将来的超级计算机技术越来越复杂,编程、能耗等众多问题非一国科学家能够解决,所需资金也会是一个庞大的数字。更重要的是,气候、能源、生命科学、宇宙科学等关系人类未来命运的全球性问题,离不开全球性的解决方案,离不开全球科学家协同创新。
  目前,国家超级计算天津中心已与欧盟相关研究机构联合开展基于天河一号核心技术的并行计算技术研究。李楠认为,未来应该建立国际性的超算中心作为共同应对挑战的平台。“集中全球智慧发展高性能计算是人类长远发展的需要,也是我们中国计算机科学家的愿望。我相信这一天不会太远。”
  美国工程院院士、超级计算机Top500主持人之一杰克 唐加拉也认为,在工程资金竞争激烈的情况下,一些国家难以承担超级计算机的巨额费用,联合各国共同研制计算机,将使各方受益。

  【链接 ②】
  摩尔定律:
  我们从广义上将摩尔定律表述为计算机芯片的性能每18个月翻一番。看看Top500榜单的变化你会发现,超级计算机的性能其实是每14个月就增加一倍,比摩尔定律预言的更快。这是计算机采用了并行处理的结果。
  超级计算机
  到底能算啥?
  顾名思义,超级计算机,最强大的就是它们的超级计算力。可是超级计算机到底能算啥?
  哈勃望远镜看不到亿万年前的太空,计算机能算出来。实验无法预知未来气候,计算机能算出来。海啸来袭速度极快,但美国科学家最近在超级计算机上发现了海啸和地震声波的关系,可以通过探测声波提前预警。超级计算机能算出这些关系人类未来生存和发展的大科学问题,这就是超算发展的根本驱动力。
  “超级计算机是高度复杂的科学构体,就像能够预知未来的水晶球。”杰克 唐加拉说,“未来气候变化、星系撞击、药物设计,这一切都可以在计算机上进行模拟。高性能计算让我们能够更深入地观察问题,解析度和结果的逼真度更高,当然,求得结果的速度也更快。比如天气预报。如果计算机很慢,要想知道明天天气怎样,也许得24个小时。那么运算就失去意义了——24小时后你完全可以朝窗外看看天气怎样即可。因此,我们要求计算机速度快、求解精确,这两项指标都得靠高性能运算。”
  从天河二号与此前超级计算机的对比,我们也能看到超级计算机的性能进步对解决实际问题的影响。用于科研:回溯地球上的气候变迁历史,天河一号可以模拟2000年前的变化,天河二号则可以模拟到5000年前甚至更远。用于艺术:电影《阿凡达》动漫渲染制作耗时一年多完成,如果用天河二号,仅用1个月就可完成。用于工业:传统手段研发新车要经过上百次碰撞实验、历时两年多才能完成,而利用天河二号进行模拟,只需3到5次实车碰撞、两个月即可实现。
  事实上,想用天河二号做算术题的用户已经排上了大队。天河二号将作为广州超级计算中心的主机,在2013年下半年安装交付。而国家超级计算天津中心主任刘光明透露,天河二号研制成功后,很多天津中心天河一号的老用户已经迫不及待地提出对天河二号的使用申请。
  超算是一种能力,这种能力可能用于各个方面。只要发现规律、建立数理模型、写出应用软件,就能把超级计算机的计算能力转化为具体成果。超级计算机到底能算啥?那要看你能教它算啥。

http://www.news365.com.cn/xwzx/gd/201306/t20130624_1262277.html
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