位于天津市滨海新区的天河科技园高楼林立,宽敞明亮的大道上车流不息。园区信环西路上,矗立着一幢橘红色大楼,外墙上“天河”两个大字格外醒目。

  

国家超级计算天津中心大楼

  这里就是由科技部批准成立,天津滨海新区和国防科技大学共同建设的国家超级计算天津中心。中国首台取得世界第一的超级计算机“天河一号”、新一代百亿亿次超级计算机“天河三号”原型机系统,即“安家”于此。

  

国家超级计算天津中心

  超级计算机,顾名思义,是功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机,多用于国家高科技领域和尖端技术研究,是一国科研实力和综合国力的重要象征。

  超级计算机“超级”在哪?有哪些重要用途?未来我国超级计算机发展方向是什么……带着这些问题,我们带您走进国家超级计算天津中心,一探究竟。

  “中国首台取得世界第一的超级计算机”

  

部署在国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机

  走进国家超级计算天津中心一楼的机房,映入眼帘的是100余个一人高的灰色机柜,耳边传来低沉的“嗡嗡嗡”运转声。中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”正在高速运转。

  “‘天河一号’由国防科技大学与滨海新区于2010年9月联合研制成功,具有超强的运算能力,持续速度达每秒2566万亿次浮点运算、峰值速度4700万亿次。”国家超级计算天津中心应用研发部副部长菅晓东向我们介绍:“这是什么概念?如果做个换算对比,‘天河一号’运算1小时,相当于全国13亿人同时计算340年以上。”

  除了速度,“天河一号”还有诸多突破性创新。比如“天河一号”在国内首次创新性地采用了异构体系架构。“CPU(中央处理器)加GPU(图形处理器)的异构协同并行处理技术是中国科研人员的创新,引领了世界超算技术的潮流。”专家介绍,在“天河一号”之前,超算中采用该技术的并不多见。

  中国自主研制的超算高速互联通信系统也是其优势所在。“天河一号”内数万个CPU和GPU通过该系统实现数据交换,相当于编织起了庞大、高效的神经网络。

  还有两项创新分别来自硬件和软件领域,即配备了自主研制的飞腾CPU芯片及麒麟操作系统。

  

2010年11月,“天河一号”荣登世界超级计算机500强榜单第一名

  凭借优异性能,2010年11月,“天河一号”荣登世界超级计算机500强榜单第一名,让中国人首次站到了超级计算机的全球最高领奖台上。

  全球超级计算机500强榜单,由美国和德国超算专家联合编制,每半年发布一期,是给全球已安装的超级计算机排座次的知名排行榜。在2002年以前,难寻中国计算机的身影。当时前三名基本上被美、日、欧三家占据,形成超级计算机的第一梯队。

  

国家超级计算天津中心工作人员24小时监控“天河一号”运行情况

  “‘天河一号’当时夺冠,意义非凡。在这之前,国内在超算领域从没拿过第一。”国家超级计算天津中心副主任阎伟回忆起当年情景仍难掩激动:“这就好比奥运比赛中许海峰的第一枪(第一枚金牌)。”

  谈起中国超级计算机的“赶超”历史,有很多故事。1976年,美国成功研制出世界上第一台超级计算机Cray-I(克雷)。1978年,中国也开启了研制超级计算机的步伐。但由于研发设计的基础非常薄弱、制造能力也有限,长期以来我们的超级计算机研制都处在一个“跟跑”状态。

  正是这样的背景下,“玻璃房子”的故事广为流传:改革开放之初,我们国家有关企业花高价从国外买的超级计算机,却被要求放在一个独立的机房里,只准国外的工程师进去使用,中国的工程师只能在玻璃房子外面看。这可以说是中国超级计算人心里深深的痛。

  “为了这口气,拼了命也得加油干出来!”得益于制度优势,随着改革开放以来中国经济社会的快速发展,特别是人才、技术的不断累积,中国在超算领域进步很快。

  “我国在1983年研制成功国内第一台巨型计算机,叫作‘银河’一代。‘天河一号’实际上是‘银河’六代巨型计算机。因为“银河”部署在天津用于民用,是‘银河’加‘天津’的融合,因此起名为‘天河’。”阎伟说。

  时间来到2009年,科技部批准成立国家超级计算天津中心,正式揭开了我国超算快速发展的大幕。目前,加上后来陆续成立的深圳中心、济南中心、长沙中心、广州中心和无锡中心,全国一共有6家国家级超算中心。

  继2010年“天河一号”首次拿下全球榜单冠军后,2013年6月广州中心“天河二号”和2016年6月无锡中心“神威?太湖之光”先后登场,中国超算快速崛起并连续“霸榜”5年,令世界瞩目。

  “更快的运算速度,最终目的是为了应用”

  国家超级计算天津中心在二楼专门辟有展厅,通过背板、实物、影像等形式展示了“天河一号”的应用领域和相关研究成果。

  

国家超级计算天津中心副主任阎伟介绍“天河一号”应用情况

  谈起近年来“天河一号”在应用领域取得的累累硕果,阎伟有说不完的话题。在他看来,“超级计算机不是为了快而快,更快的运算速度,最终目的是为了应用”。

  据介绍,目前,“天河一号”已经实现满负荷运行,每天并发在线的运行任务达到1400多项,用户涵盖油气勘探、高端装备制造、药物研发、雾霾预警预报等领域的重点科研机构、企业、政府近1600家。

  “听起来很抽象、很高大上,其实,这些离我们的生活都不远。”以雾霾预警为例,国家超级计算天津中心与中国气象局气象科学研究院等单位合作,构建了自动化实时雾霾预警预报系统,通过对污染源、区域污染数据的精确分析,为未来雾霾治理提供预警及解决方案。“过去雾霾预报最高网格精度为50公里左右,现在,我们只需要2-3小时就能算出最长时效预报5天的数值预报,并且实现雾霾预报最高网格精度2-3公里,大大提高了预报的精准性。”国家超级计算天津中心工作人员向我们介绍。

  

超级计算机在仿真领域应用广泛

  超级计算机在仿真领域的应用也非常广泛。“以前在做新产品研发的时候,要做很多的实物实验。现在这些实验都可以由超级计算机的仿真来代替。而且超级计算机还可以仿真出一些现实中不可能做的实物实验,例如极端气候条件下的实验等。”阎伟说。

  “我们和天津汽车模具股份有限公司合作,在企业内就可以流畅地远程操作中心的天河一号,实时下载和查看仿真结果。”阎伟继续介绍,这样就将超算融入制造业实际生产中,与先进的数控设备相配合,实现了高速、高精度、无图无人化加工,服务天津先进制造业的高质量发展。

  此外,超级计算机还参与探索人类大脑的秘密、破解人类基因密码。在国内的全脑三维成像领域,基于“天河一号”的超级计算能力和并行处理技术,已实现150倍以上的速度提升。原来一次鼠类全脑成像数据处理需要5-7天,现在1-2个小时就可完成。

  目前,国家超级计算天津中心实现了超级计算、人工智能、云计算、大数据、物联网的五大融合。在“天河一号”的带动下,已经有越来越多的大数据、云计算企业在周边落户,形成高端信息技术产业聚集。

  2017年4月,以国家超级计算天津中心和“天河”超级计算平台为依托的天河科技园正式揭牌,构建起信息技术创新创业基地和军民融合产业聚集区。

  “从简单提供超算服务,到开展技术合作、战略合作,再到资本合作,建设自主创新的产业化平台等,我们将进一步拓展国家超算天津中心资源、技术的支撑能力和辐射带动作用,充分发挥‘天河’的品牌价值,做好自主技术的产业化应用。”阎伟打了一个比方,就像一个航母舰队,由我们超算来挑头,配备驱逐舰、潜水艇、扫雷舰,我们去共同攻克智慧城市、智慧医疗等领域的技术和产业化高峰。

  “新一代百亿亿次超级计算机来袭,运算能力快过‘天河一号’200倍”

  今年6月25日,新一期全球超级计算机500强榜单发布,美国超级计算机“顶点”超过中国的“神威·太湖之光”名列第一,这是美国超级计算机多年后重回榜首。而11月12日最新发布的一期榜单显示,“顶点”蝉联冠军。中国超算上榜总数仍居第一,“神威·太湖之光”和“天河二号”分别位列第三、四名。

  众多国人开始关心,中国超级计算机如何应对?

  实际上,我们在超算领域始终步履不停。7月26日,“天河三号”E级原型机在国家超级计算天津中心完成部署并通过项目课题验收。其后,神威E级原型机系统、曙光E级原型机系统相继亮相。截至目前,国家“十三五”规划的3个E级超算原型机全部完成交付。

  

部署在国家超级计算天津中心的“天河三号”E级原型机

  E级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机,被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”,它将在解决人类共同面临的能源危机、污染和气候变化等重大问题上发挥巨大作用。目前,中、美、欧、日等都在向这个目标全力冲刺。

  那么,原型机又是什么概念?

  “原型机,就是工程开发中的试验系统。”菅晓东表示,E级原型机系统的研制成功可以验证一些关键的技术设想,对关键技术难点进行测试和改进,为今后建造整机系统提供指导,避免出现大的技术错误和难题。

  在原型样机系统基础上,“天河三号”超级计算机整机系统最终有望于2020年研制成功。届时,其运算能力将比“天河一号”提高200倍,存储容量提高100倍。

  

国家超级计算天津中心用研发部副部长菅晓东(左)介绍“天河三号”E级原型机情况

  在国家超级计算天津中心,我们得以一睹“天河三号”E级原型机“真容”:它通身黑色,每组机柜高2米左右,机身上嵌有两条醒目的蓝绿彩条,整体科技感十足。

  “相比上一代超级计算机,‘天河三号’将是一个划时代的先进技术作品。它在计算密度、单块计算芯片计算能力、内部数据通信速率等方面,都会有全面的提升。”菅晓东介绍。

  更重要的是,“天河三号”将在核心关键技术上实现整体自主可控,打造出具备自主芯片、自主操作系统、自主运行计算环境的新一代百亿亿次超级计算机。

  “只有坚定走自主研发的道路,才能让自己变得更强。”这是采访中众多超算科研人员的心声。新时代新气象新作为,他们还将继续攻坚,再攀新高峰,研制出技术更加先进、应用更加广泛的“最强大脑”,不辱时代使命!(中央纪委国家监委网站 兰琳宗 陈斯阳丨摄影 何沛霖)

视频
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国家超级计算天津中心副主任 阎伟

  问:请您介绍一下国家超级计算天津中心的建设和发展情况?

  答:国家超级计算天津中心是国家科技部2009年5月批准成立的首家国家级超算中心,由天津滨海新区和国防科技大学共同建设。中心的“天河一号”超级计算机在2010年11月的世界超级计算机 TOP500排名中名列第一。经国家发改委批准,中心于2013年10月成立了“大数据处理技术与应用国家地方联合工程实验室”。该实验室是国内首家在大数据领域的联合实验室。目前,中心与国防科技大学已经研制完成“天河三号”E级原型机系统并部署在中心,同时也在积极推动“天河三号”整机系统的建设工作。

  问:超级计算机有怎样的应用前景?以“天河一号”为例,近年来取得了怎样的应用成果?

  答:超级计算机已经广泛应用于石油勘探数据处理、气象海洋、生物医药、基因测序、新能源新材料、航空航天、装备制造等领域。目前,“天河一号”已经实现满负荷运行,每天并发在线的运行任务达到1400多项,用户涵盖科研机构、企业、政府单位等近1600家。

  例如,在石油勘探数据处理领域,中心以“天河一号”为基础,通过高性能并行计算技术和技术团队,与中石油东方物探研究院深度合作,已经研制成功了具有自主知识产权、技术成熟的石油地震勘探数据处理软件,合作构建了天河石油地震勘探数据平台,为中石油、中石化、中海油、大庆等石油公司和油田服务。原来需要30天完成的数据处理项目在本处理平台只需要16个小时就可完成。

  在航空航天领域,“天河一号”重点支持了大飞机、航天器在高速飞行条件下的全尺寸、复杂多工况气动模拟分析工作;支持了飞船返回舱、载人飞行器等的跨流域气动力、气动热问题的研究工作;支持了航空发动机高效燃烧机理研究;支持了我国新型发动机的设计研发工作。

  在生物医药领域,基于“天河一号”开展的大规模分子动力学模拟、高通量虚拟药物筛选等研究工作,加快了艾滋病、癫痫、胰岛素等自主知识产权新药的开发。中科院上海药物所利用“天河一号”并结合实验,从20多万个代表化合物中筛选出抗癫痫先导化合物;北京生命科学研究所依托“天河一号”研究未来代替抗生素治疗细菌感染的新药。

  问:据报道,“天河三号”E级原型机系统已于国家超算天津中心完成部署并启用。请介绍下相关情况。“天河三号”对于未来的超算发展有怎样的重大意义?

  答:由国防科技大学牵头研制,“天河三号”E级原型机系统已在国家超级计算天津中心完成研制部署,并于今年7月22日顺利通过项目课题验收,将逐步进入开放应用阶段。

  在原型样机系统基础上,“天河三号”超级计算机有望于2020年研制成功,其运算能力将比“天河一号”提高200倍,存储容量提高100倍,而且核心关键技术将实现整体自主可控。

  中心将依托“天河三号”构建超级计算与云计算和大数据深度融合的高性能计算服务平台,将在长效高分辨率气候气象预报、大规模航空航天数值风洞、地震地质研究和油气能源勘探、脑科学与基因工程等生命科学研究等超大规模计算与模拟,以及涉及国计民生、信息安全的政务数据、医疗卫生、基因健康、地理、海洋等大数据分析处理领域发挥强大支撑和平台作用。

  问:日前,习近平总书记在中共中央政治局第九次集体学习时强调,推动我国新一代人工智能健康发展,并指出,在移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论新技术的驱动下,人工智能加速发展。超级计算在推动人工智能发展方面有怎样的重要作用?请谈谈您的认识和理解。

  答:习近平总书记在党的十九大报告中强调指出,“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”“深化科技体制改革,建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系”。脑科学、人工智能的发展需要更加强大的超级计算能力和大数据环境支撑。这方面,超级计算机大有可为。当前,我们正在探索构建“超级计算与大数据、人工智能融合平台”的研发。在这个平台上,我们正在开展跟钢铁、矿业等传统领域的合作,构建钢铁高炉大数据平台,构建数字矿山等。同时,也在进行医疗健康平台和智慧城市平台的建设等,为“健康中国”和“数字中国”做支撑。未来,百亿亿次超级计算机将在人工智能、大数据等新兴技术领域有着更深入实际产业的应用创新。