杨广文：用超级计算机为科研提供助力

文|本刊记者 卢茹彩

杨广文：用超级计算机为科研提供助力

文|本刊记者 卢茹彩

“作为第一台完全使用国产处理器的超级计算机，‘神威·太湖之光’展现了中国在设计和制造高性能计算机领域取得的成就，跟美国和日本等发达国家比较，我们的研制水平已经进入世界领先行列。”

杨广文在介绍“神威·太湖之光”应用课题概况

2016年6月20日，在德国法兰克福2016国际超级计算机大会上，国际TOP500组织发布了最新的全球超级计算机排名榜单，中国的“神威·太湖之光”荣登全球最快的超级计算机排行榜TOP500榜首。

这是中国的超级计算机连续第七次登上这一排行的榜首，2015年排名第一的“天河二号”今年退居第二位。“作为第一台完全使用国产处理器的超级计算机，‘神威·太湖之光’展现了中国在设计和制造高性能计算机领域取得的成就，跟美国和日本等发达国家比较，我们的研制水平已经进入世界领先行列。”在接受记者采访时，清华大学计算机系教授、国家超级计算无锡中心主任杨广文说。

国家战略

“神威·太湖之光”在6月份发布之前，任何人都不允许参观位于国家超级计算无锡中心的机房重地。不过在记者采访时，这个禁令已经解除。跟随杨广文教授通过一道道需要刷指纹进入的大门，记者穿上印有“神威”和国家超级计算无锡中心字样的工作服，对这套世界上运算能力最强的超级计算机系统有了一个直观的认知。

出生于1963年的杨广文从外表看就是个典型的学者形象：瘦削，但带着科技工作者的自信。他说，自己虽然从1994年就开始接触超级计算，但真正“进入状态”与超级计算结下不解之缘，要从2002年进入国家“863计划”（“高技术研究发展计划”，旨在提高中国自主创新能力、以前沿技术研究发展为重点，因启动于1986年3月而得名）专家行列开始。

1983年，随着中国第一台每秒钟运算1亿次以上的“银河一号”研究成功，中国才真正开始跨入超算领域，但距离发达国家的差距巨大。2009年，国防科技大学在“天河一号”基础上推出了拥有每秒4700万亿次的峰值性能及每秒2570万亿次LINPACK实测值的“天河一号A”，荣登了第36届全球HPC TOP500第一名宝座，实现了历史性的突破。此后，“天河二号”六次蝉联世界第一，直到被“神威·太湖之光”取代。

“虽说‘神威·太湖之光’的研发只用了两年的时间，但这是建立在中国之前在超算领域多年的积累基础上的。”杨广文说，“‘神威·太湖之光’最大的亮点就是自主可控，从芯片制造到软件研制及应用研发等，都是我们国家自主研发的技术。而且，它的能耗非常低。”

作为世界上首台峰值计算速度超过10亿亿次的超级计算机，“神威·太湖之光”的峰值计算速度达每秒12.54亿亿次，持续计算速度每秒9.3亿亿次（是“天河二号”的近3倍），每瓦特提供的计算性能是6.051G浮点结果（也就是说，性能功耗比为每瓦60.51亿次）。“这听起来没什么感觉，但是跟美国和日本最好的系统来比，美国大概是2G，日本的是1G，我们的能耗比提升了3倍。”清华大学地球科学中心副教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓解释说。作为前往德国参加超算大会并进行发布的中方负责人，付昊桓说：“神威的整个系统由4万块芯片构成，每个芯片有260个核，整个系统超过1000万个核，本身在一个系统工作就是一个创举，而且能耗比又有这么大的提升，在场的美、日等国专家也非常受震撼。”

付昊桓说，“神威·太湖之光”整套系统投入18亿元人民币，“这听起来很多，但实际上，国外专家认为，能花这么少的钱造出这样的一套系统，对他们来说是一个很大的冲击”。

“超级计算机作为国家的战略高技术，不管是否赚钱，是作为国家战略来做的。”杨广文说，自“863计划”启动以来，国家这么多年持续支持高性能计算机的研发，这在科研项目中并不多见。“我认为，一是为打破国际封锁，以前我们买回来的机器有固定用途，美国人要看着我们用，这个对我们国家来说是挺‘打脸’的。”

2015年，采用美国英特尔芯片的“天河二号”遭到美国禁运，因不能在原系统上扩展，不得不改变了原有的研发路线。而跟“天河二号”同期规划立项的“神威·太湖之光”一开始就设计走自主研发的路子。“我们建设创新型国家，特别提倡自主技术，在超算这个领域国家早有布局，支持走不同的发展路线。”杨广文说，“由于布局早，我们也正好起到打破美国技术壁垒的作用。”

2016年7月15日，吉尼斯世界纪录正式宣布“神威·太湖之光”为世界上“运算速度最快的计算机”。吉尼斯世界纪录大中华区总裁罗文在向杨广文颁发吉尼斯世界纪录认证书时表示：“这一纪录代表着中国在超级计算机领域的历史性突破。”

杨广文说，目前，中国对超算的需求非常大。在清华大学，他负责管理学校的一台超算，35个院系200多个科技组都在用这台机器，每年支持上百篇一流的论文发表。因此他认为，国防安全、航空航天、天气气候、工业制造、新药创制等各领域对高性能计算的需求越来越旺盛，这也是中国加大投入做超算研究的原因之一。

2016年6月21日，德国法兰克福，付昊桓副主任（右二）、杨晋喆工程师从劳伦斯伯克利国家实验室副主任霍斯特·西蒙手中接过世界超级计算机500强第一名的证书

致力应用

2010年底从美国斯坦福大学回到清华任教的付昊桓清晰地记得，当时，中国的超级计算机“天河一号A”刚刚摘得世界第一的桂冠。“我们清华一位研究气候的老师作为用户去观礼，机器发布后，马上有美国的同行问，你们的机器是拿了世界第一，那么应用呢？这么一台机器你们中国人是否能用起来？”付昊桓说，“这表达了对中国超算的质疑，包括CPU和芯片都是美国引进的，更多体现的是集成能力，而能否推动应用、解决科学的问题才是超算更应该关注的。”

也正是基于应用的考虑，杨广文说，国家超级计算无锡中心从系统原型研制开始，就一直坚持机器测试与应用开发同步进行。因此系统从2015年12月开始试运行以来半年多时间，已经有天气气候、航空航天、海洋环境、生物医药、船舶工程、新材料和先进制造等19个应用领域的科研工作者在这套系统上取得了60多项应用成果。其中，由中科院软件所、清华大学和北京师范大学申报的“全球大气非静力云分辨模拟”课题，由国家海洋局海洋一所和清华大学申报的“全球高分辨率海浪数值模式”课题，由中科院网络中心申报的“钛合金微结构演化相场模拟”课题分别入围了2016年的“戈登贝尔奖”。

“戈登贝尔奖”是世界高性能计算应用领域的最高奖，设立于1987年。付昊桓说，在最开始的近20年中，只有美国的科研团队拿到这个奖项，直到日本在2002年推出的“地球模拟器”打破了这一纪录。一直到今天，这个奖项一直被美、日以及少量欧洲的科研机构包揽。“中国在此之前从来没有入围过，即便‘天河二号’连续三年六次世界第一，但是也从来没有中国科研团队的应用课题入围。”付昊桓说，“而今年，全世界共有六个课题入围，来自中国的就有三个，都是中国的团队在‘神威·太湖之光’上做的应用。”付昊桓说，这让大家“欢欣鼓舞”。

关于神威的计算能力，应用课题的参与人员有更多的体会。国家计算流体力学实验室在该系统上完成的“天宫一号”飞行器两舱简化外形陨落飞行大规模并行计算，在20天内完成了常规需要12个月的计算任务，计算结果与风洞实验结果符合较好。中航工业631所完成的C919大型客机低速大攻角深失速特性的精细数值模拟，计算网络规模由千万网格提升到两亿网格，计算时间缩短到10小时以内，大大减少了风洞试验次数，降低了设计成本。

2016年6月21日，德国法兰克福，付昊桓副主任在ISC国际高性能计算大会上做特邀报告，介绍“神威·太湖之光”超级计算机系统以及最新科研成果

支持制造业转型

江苏省是中国制造大省，此次把“神威·太湖之光”落户在江苏省的无锡市，杨广文说，既是要解决国家的重大需求，也是要支持江苏作为制造大省的产业转型。

江苏的面积只占中国的1%，但却贡献了中国10%左右的GDP，其制造业的转型升级，对全国都有着重要的参照意义。为此，在此次超算中心的投入中，江苏省和无锡市各投入6亿元人民币建设资金，并委托清华大学负责后期运营。

“在中国制造2025计划中，核心的问题是提高设计水平，设计水平提高了，制造水平也会相应提高。”杨广文说，江苏省的核心产业是制造业，制造前的设计模拟离不开超级计算机，“我们试图在这方面打造产业科技创新基地”。

不过，杨广文也坦言，“这个事情并不轻松”。“现在我们有很多企业也做设计，但很多是仿造性的或者手工设计，模拟设计软件也以国外商用软件为主。我们要做的是大量模拟设计，比如汽车制造，最主要的是安全，碰撞质检是破坏性的方式，我们可以通过超算做数值模拟，来完成安全设计，在此基础上来进行碰撞试验。这样的损失就会减少很多，同时也会大大缩短研发周期。”同样的原理也可以用在飞机制造和性能跟踪上，“通过超算去分析传感器得到的数据，可以及时发现性能上的问题和潜在威胁，大大降低事故概率”。杨广文希望，要把超级计算机的计算能力用好，建成一个设计、制造、数据分析等在内的完整超算应用产业链，“通过超算和大数据结合，把产品的整个生命周期管理起来”。

现在，杨广文迫切要解决的，是为“神威·太湖之光”寻找需求较大的持续的行业用户，支持重大的国家项目以及企业的核心装备制造，从而带动研发出自主的核心并行软件，把软件再提供给制造业。

目前，中国有167台超级计算机入选全球超级计算机500强榜单，总数量首次超过美国。“我们超算的拥有量是排名第一了，但是从应用水平来看，我们跟发达国家还是有差距的，这个差距要解决不是一天两天的事情，要通过长时间的攻关，也需要在有需求的企业中去普及。”杨广文说，按照国外的经验来看，超算的应用人员甚至占到2/3，但中国目前大部分都是学计算机的。作为全国6个超级计算中心之一，国家超级计算无锡中心接下来希望跟应用单位建联合实验室，解决应用人才短缺的问题，超算中心提供程序和模型支持等资源，扩大超算的应用范围。

“中国在科研方面的投入，在某些方面甚至超过了美国，因此，现在很多在国外的研究人员愿意回来，因为有很多他们在国外没法实现的课题，在国内反而能找到资源实现。”付昊桓说，国家希望科研在未来的经济发展中提供更大的助力，这对科研本身就是很大的促进。

“我们能建造那么好的高铁，但流体的设计、模拟用的大部分软件都是国外商用软件。我想研发自主软件这些事情总归要有人去做。基于目前速度最快的一个超算，去做这样的尝试，不是很好的契机吗？”付昊桓的反问，说出了很多中国科研工作者的心声，这也是他们持续探索前行的动力。