“神威·太湖之光”：全球最快的计算机

夏斌

3天后，降雨云层将移动到哪里？海啸预警能否第一时间发送出去？如何建设风道以便污染物扩散？借助超级计算机的强大运算和模型处理能力，这些问题都有望得到解决。

日前，德国法兰克福国际超算大会公布新一期全球超级计算机500强榜单，来自中国的“神威·太湖之光”荣登榜首。这台全球最快的计算机，到底有哪些过人之处？它可以在我们平时生活的哪些方面大显身手？

三招“必杀技”

在国家超级计算无锡中心，“神威·太湖之光”的机身安放在一间约1000平方米的房间内。它由40个运算机柜和8个网络机柜组成，里面放有40960块高性能处理器；其峰值运算速度为12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次/秒，双双位列全球第一。

“简单来说，这套系统1分钟的计算能力，相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。如果用2016年生产的主流笔记本电脑或个人台式机作参照，它相当于200多万台普通电脑。”国家超级计算无锡中心主任杨广文做了一个形象的比较。

中国科学院计算所研究员张云泉介绍，“神威·太湖之光”之所以如此厉害，关键在于具备三招“必杀技能”：

第一招——速度较量，唯快不破。“神威·太湖之光”的运算速度是此前的世界冠军“天河二号”的3倍。在超级计算机基准程序测试中，“神威·太湖之光”仅用4小时就完成了“天河二号”20多个小时才能完成的运算任务。

第二招——最强大脑，中国芯。超级计算机主要依靠提高并行度和设备规模来提升计算速度。“神威·太湖之光”拥有超过1000万个处理器核，远远超过“天河二号”的300多万个。更令人振奋的是，“神威·太湖之光”是完全采用中国芯——“申威26010”，制造出来的最强大的超级计算机。“申威26010”是一个只有5厘米见方的高性能处理器，却集成了260个运算核心、数十亿晶体管，其单芯片计算能力相当于3台2000年全球排名第一的超级计算机。

第三招——绿色节能，又快又省。“神威·太湖之光”的功耗比达到每瓦60.51亿次，在运行速度和持续计算能力大幅提升的同时，功耗不升反降。

“算天算地算人”

以美国为例，超级计算机应用大致可分为几类：一类是与国家安全密切相关的使命性应用，如美国能源部各国家实验室从事的核武器设计、试验、改进和安全储存的研究，需要超级计算机进行全物理、全系统、真三维的数值模拟；一类是应对环境、健康等重大挑战，如聚变能源、全球气候变化、新材料设计、新药创制等；还有一类是以计算促进基础科学研究和重大科学发现，如在宇宙起源、脑功能、基因和蛋白质组学等方面的应用。

“超级计算机应用可以简单概括为三个词：算天、算地、算人。”中国科学院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮表示。不论是在石油勘探、生物信息、新药创新、材料化工，还是环境科学、船舶工程、航空航天设计、传统制造业改造等方面，超级计算机都可以发挥作用。同时，基于人工智能技术发展，大数据、金融计算等将成为超级计算机应用的新领域。

目前，中科院深圳先进技术研究院正在国家超级计算无锡中心进行一项课题——深圳市污染物扩散模拟。通过超算模拟，可以根据目前污染物的情况，计算出未来一段时间的大气污染物浓度和分布，从而精准进行区域空气质量预报。

“现在已经可以实现倒推排查究竟是哪个排放点导致了某次大气污染，未来将能够实现每个小区、每个居民点空气质量的准确预报。”陈荣亮说。

而在医疗领域，超级计算机能够通过扫描真人的血管系统，运用3D建模技术建立动脉系统模型，成功地再现人体动脉系统。陈荣亮日前使用“神威·太湖之光”对人体血流进行了模拟与分析。

“过去，对一个可能发生脑梗塞的病人，医院难以判断是否要进行支架手术，一般都会通过从大腿动脉处放进测压导丝进行测量。这种方式既危险又痛苦。如今，经过模拟计算，只要血流储备分数小于0.8，就可以做手术。”陈荣亮说。

英国《柳叶刀》杂志还进一步推测，通过超级计算机的大量运算，可以有效模拟人体器官对各类药物的反应。这样做能够大大缩短新药物的研发时间，让各类新药物尽快为患者服务。

此外，法国石油巨头道达尔早在2013年，就启用超级计算机进行石油资源勘探。借助其强大的运算能力，道达尔可以更加精确地判断石油蕴藏的规模及开采几率。美国波音等航空制造企业，也开始大量使用超级计算机进行包括发动机、飞机等的辅助设计。而在好莱坞，众多电影制作公司也尝试使用超级计算机进行电影后期特效处理，《阿凡达》《2012》等影片的强大特效就利用到了各种类型的超级计算机。

目的是造福人类

在全球超级计算机500强榜单上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，还有中国的“天河二号”、美国的“泰坦”与“红杉”、日本的“京”、瑞士的“代恩特峰”、德国的“花尾榛鸡”等。在运算速度上，“神威·太湖之光”接近“泰坦”的5倍，超过排名第二到第五的超级计算机运算速度总和。

但要真正从“超算大国”发展为“超算强国”，我们还面临核心技术、软件配套及应用前景拓展等多方面的障碍。

核心技术上，虽然我国的超级计算机发展取得了很大成果，但其中需要解决的关键技术环节还比较多。以能耗为例，“神威·太湖之光”一年的用电量达到15兆瓦时，相当于3个清华大学的用电量。倘若要进一步使运行速度提升至百亿亿次，相关能源消耗恐怕非常惊人。

软件配套上，存在“重硬件、轻软件”的倾向，导致目前相关商业应用软件主要为国外所垄断。据统计，国内超级计算机研发经费中用于开发应用软件的不足10%，而在美国这一比例为30%以上。“从某种程度上说，超级计算机系统的应用比计算机本身更重要。因为没有软件，计算机就是个空壳。”陈荣亮透露，我们正在逐步加大软件的研发，但相关人才还比较匮乏。

应用前景拓展上，超级计算机投入商用还面临一个市场信任的问题。2014年4月“天河二号”试运行对外开放期间，只有120家企业和研究机构选择试用，许多商用飞机公司宁可使用过时的计算平台也不愿意采纳这一新系统。

另外，如何打造便携式超级计算机，并推进与人工智能技术融合，是超级计算机商用化、终端化不可回避的问题。

“超级计算机的发展根本动力来自于需求，超级计算机的最终目的应该是造福人类。在这一基本认知下，中国发展超算应该从需求出发，解决最迫切的应用问题。”863重点专项专家组组长钱德沛强调，我们要有争第一的意识，但不要太在意，还是要从应用出发。

未来，我国超级计算机应在四个方向发挥作用：首先是全球高分辨率模拟，为气候变化研究提供量化研究的基础；其次是先进制造，强大的计算机将助力“中国制造”转向“中国创造”；第三个方向是生命科学，为研发新药和探索生命奥秘提供支撑；第四个方向是大数据分析。应用需求和算法的发展，将不断推动超级计算机跑得更快、更强。