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他們甘當(dāng)“人肉地毯”，只為能讓天河一號(hào)“跑”起來

科技日?qǐng)?bào)

2018-10-24 22:04

科學(xué)湃 >

2010年，夏。

“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)進(jìn)駐國家超算天津中心首期工程——通信光纖鋪設(shè)甫一開始，就遇到了大麻煩。

鋪設(shè)光纖的溝槽溫度高達(dá)40多度，水泥表層太粗糙，光纖的絕緣膠皮被磨出了道道裂痕，個(gè)別地方還露出了線芯。

這個(gè)問題不解決，后果不堪設(shè)想。輕者信號(hào)中斷、通信短路，重則導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。

怎么辦？工程現(xiàn)場指揮員的舉動(dòng)出人意料，他把衣褲一脫，跳進(jìn)悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上。大家紛紛效仿，很快鋪就了一條“人肉地毯”，一根根光纖順著的工程人員的身軀通暢地向前延伸。

光纖鋪設(shè)過程中，幾十人在悶熱的溝槽里赤身裸背爬了數(shù)十天，被堅(jiān)硬的水泥地和光纖刮擦得遍體鱗傷，15000根光纖卻毫發(fā)無損。

等到“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)試機(jī)那天，開機(jī)運(yùn)行的一瞬間，全部線路暢通無阻。

不久后的11月，我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”以驚人的運(yùn)算速度在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中位居世界第一，這也是五星紅旗第一次插上世界超算之巔。

1983年我國巨型機(jī)實(shí)現(xiàn)“零”的突破，到“天河一號(hào)”大顯王者風(fēng)范，歷經(jīng)數(shù)位科學(xué)家的艱苦探索，中國超算不斷沖擊巔峰，高端應(yīng)用連續(xù)兩次獲得國際高性能計(jì)算機(jī)的最高獎(jiǎng)——戈登貝爾獎(jiǎng)。

以“神威?太湖之光”和2017年完成技術(shù)升級(jí)和系統(tǒng)優(yōu)化的“天河二號(hào)”為標(biāo)志，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)具備了從自主微處理器、自主互聯(lián)、自主軟件系統(tǒng)到自主應(yīng)用的全方位自主研制。伴隨著改革開放的時(shí)代大潮，我國高性能計(jì)算機(jī)完成了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的歷史跨越。

再見！屈辱的玻璃房子

“中國要搞四個(gè)現(xiàn)代化，不能沒有巨型機(jī)！”1978年，在中央召開的一次重要會(huì)議上，鄧小平同志的這句話擲地有聲。隨即，他代表黨中央、國務(wù)院將這一任務(wù)交給國防科技大學(xué)。

時(shí)任該校計(jì)算機(jī)研究所所長的慈云桂教授聽到這個(gè)消息，當(dāng)即向上級(jí)立下軍令狀：每秒一億次一次不少，6年時(shí)間一天不拖，預(yù)算經(jīng)費(fèi)一分不超?！熬退闶腔沓鲞@條老命，也要把中國的巨型機(jī)搞出來！”

在中國老一代超算人的心里，藏著一段關(guān)于玻璃房子的心痛往事。

20世紀(jì)80年代，中國氣象部門想從美國克雷公司進(jìn)口一臺(tái)計(jì)算機(jī)，美國人死活不肯賣。后來好不容易松口了，但美國政府要對(duì)出口中國的高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，即在計(jì)算機(jī)機(jī)房安裝監(jiān)視儀器，機(jī)器也要封在玻璃機(jī)房里，由他們自己人使用監(jiān)控，不許中國科技人員進(jìn)去。

“銀河一號(hào)”巨型計(jì)算機(jī)

面對(duì)西方國家如此嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，以慈云桂教授為代表的第一代中國計(jì)算機(jī)科技人員敢為人先，率領(lǐng)國防科大計(jì)算機(jī)科研隊(duì)伍，在1983年12月研發(fā)出中國第一臺(tái)億次巨型電子計(jì)算機(jī)，取名為“銀河”。中國從此成為繼美、日之后能獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型機(jī)的國家。

1993年，德國曼海姆大學(xué)漢斯·埃里克教授等開始實(shí)施國際TOP500排名。彼時(shí)，國防科大銀河系列超級(jí)計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)勢如破竹。但每當(dāng)中國躍上一個(gè)新臺(tái)階，美國或日本不久便會(huì)宣布研制出世界上運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。似乎，中國的超算水平總是比別人差那么一點(diǎn)點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)，世界超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展遭遇“冰封”時(shí)期?？茖W(xué)家們?yōu)榱颂岣叱阆到y(tǒng)的整體性能，只能依賴于加大系統(tǒng)規(guī)模：比如計(jì)算機(jī)體積有幾個(gè)足球場那么大、需要建一個(gè)專用的發(fā)電站才能滿足它的功耗。2004年日本的“地球模擬器”，雖然一度搶占國際TOP500排名第一，但其機(jī)房竟需要四層樓，銅質(zhì)電纜有上百公里長。

超算技術(shù)再跨越，需要新的體系結(jié)構(gòu)理論來支撐。這也意味著中國和美、日等發(fā)達(dá)國家處于同一起跑線，中國在超算領(lǐng)域決戰(zhàn)決勝、沖擊巔峰的時(shí)機(jī)來臨！

死磕到底，科學(xué)家“著了魔”

2006年開始，楊學(xué)軍和他的團(tuán)隊(duì)，開始了一場極富創(chuàng)意甚至有點(diǎn)冒險(xiǎn)的主動(dòng)出擊戰(zhàn)。其時(shí)，國家制定了“先研制兩臺(tái)百萬次超級(jí)計(jì)算機(jī)、再研制一臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)”的“兩步走”戰(zhàn)略。但以楊學(xué)軍為總設(shè)計(jì)師的總師組，經(jīng)過深入技術(shù)調(diào)研、反復(fù)權(quán)衡利弊，決定從每秒10萬億次直接沖刺每秒1000萬億次，走別人沒有走過的CPU+GPU技術(shù)路線。這一超常決策引起一片嘩然。

以10倍速度逐步遞增來研制超級(jí)計(jì)算機(jī)，已成為國際慣例。從每秒10萬億次直接向每秒1000萬億次跨越，會(huì)不會(huì)有點(diǎn)急功近利？楊學(xué)軍的劍走偏鋒，會(huì)成功嗎？

CPU（通用微處理器）+GPU（專用微處理器）異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，形象地說，就是把眾多CPU、GPU有機(jī)地連成一枚“捆綁式火箭”。所謂“一個(gè)和尚挑水喝，兩個(gè)和尚抬水喝，三個(gè)和尚沒水喝?！卑褦?shù)千個(gè)CPU和數(shù)千個(gè)GPU組合成一個(gè)“大廟”，它們還能賣力“挑水”嗎？

失敗的滋味，不好受。2009年3月，他們把CPU、GPU這兩類“和尚”組合起來，竟發(fā)現(xiàn)總性能還不到600億次，而一顆CPU就有近500億次的性能。也就是說GPU雖然用于圖像處理速度驚人，但讓它與CPU放在一塊用于科學(xué)計(jì)算，就變得非常懶惰，計(jì)算效能只有20%左右。

難道，這條路真的走錯(cuò)了嗎？楊學(xué)軍不信邪。他向妻子招招手：“你去把車開來，帶我出去轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。”車子駛出高速收費(fèi)站時(shí)，楊學(xué)軍掏出手機(jī)，堅(jiān)定地說：“別人不敢走的路，并不等于走不通。從技術(shù)原理分析，GPU的計(jì)算性能，通過軟件優(yōu)化，是可以大幅提高的……”

關(guān)鍵時(shí)刻，經(jīng)學(xué)校黨委推薦，時(shí)任中央軍委主席胡錦濤任命廖湘科為每秒千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)工程總指揮和常務(wù)副總師。隨后，楊學(xué)軍、廖湘科作出了一個(gè)超常決策：把完成研制任務(wù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，由原計(jì)劃的2010年底提前一年，即在2009年底前推出中國第一臺(tái)每秒千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)。

在長沙郊區(qū)的一個(gè)抗洪指揮部，國防科大超級(jí)計(jì)算機(jī)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)來了一次長達(dá)半年的“閉關(guān)”，成員們整天貓?jiān)谀菞澣龑有抢铮劬χ欢⒅@示屏，從早上7點(diǎn)盯到午夜。

功夫不負(fù)有心人，突擊隊(duì)連續(xù)奮戰(zhàn)四個(gè)月，先后改進(jìn)優(yōu)化8萬余次，創(chuàng)造了一個(gè)科學(xué)奇跡：GPU計(jì)算效能躍升至70%以上，達(dá)到世界最高水平！

奇跡背后的“上甘嶺戰(zhàn)役”

2009年國慶節(jié)來臨前夕，每秒千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)一期系統(tǒng)安裝完畢。同年10月29日，我國第一臺(tái)每秒千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)橫空出世，中國成為世界上第一個(gè)掌握CPU+GPU異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、第二個(gè)研制出每秒千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的國家。時(shí)任中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席胡錦濤聞?dòng)?，親自為她題名“天河”。

除了喜悅，研究團(tuán)隊(duì)并不甘心。停滯，意味著被淘汰。2009年10月，國防科大計(jì)算機(jī)學(xué)院超級(jí)計(jì)算機(jī)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)召開“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)決戰(zhàn)動(dòng)員會(huì)，時(shí)間定為一年，目標(biāo)是每秒4700萬億次，并且一定要用上自己研制的CPU，逐步改變微處理器依賴進(jìn)口的局面。

奇跡真的發(fā)生了。

2010年11月，在世界超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)以計(jì)算峰值高出第二名 “美洲虎”兩倍多的絕對(duì)優(yōu)勢，勇奪國際TOP500排名第一，打破了美國在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長期一家獨(dú)大的局面，標(biāo)志著我國自主研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)水平跨入世界領(lǐng)先行列。

在奮起直追的路上，有多少個(gè)不眠之夜，又有多少次激流勇進(jìn)，數(shù)不清，道不明。這樣的奇跡，來自超強(qiáng)的膽魄，也來自超出常人的艱辛。參與人員說，真是打了幾場“上甘嶺”。比如，通信光纖的保衛(wèi)戰(zhàn)。

通信光纖鋪設(shè)，是“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)進(jìn)駐國家超算天津中心的首期工程，時(shí)間緊迫、任務(wù)艱巨。為確保按期完成施工任務(wù)，指揮員把任務(wù)細(xì)化到天，要求大家“當(dāng)天任務(wù)不完成當(dāng)天不吃不睡”。

哪知施工第一天剛鋪了幾根，施工指揮員拿起一看，立刻傻眼了。時(shí)值盛夏，溝槽溫度高達(dá)40多度，水泥表層太粗糙，光纖的絕緣膠皮被磨出了道道裂痕，個(gè)別地方還露出線芯。這個(gè)問題不解決，后果不堪設(shè)想。輕者信號(hào)中斷、通信短路，重則導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。

指揮員做出了大膽的行為。他把衣褲一脫，跳進(jìn)悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上。大家紛紛效仿，很快鋪就了一條“人肉地毯”，一根根光纖順著官兵的身軀通暢地向前延伸。

幾十個(gè)人在粗糙悶熱的溝槽里赤身裸背爬了數(shù)十天，一個(gè)個(gè)被堅(jiān)硬的水泥地和光纖刮擦得遍體鱗傷，15000根光纖卻毫發(fā)無損。

就這樣，等到“天河一號(hào)”二期系統(tǒng)試機(jī)那天，打開機(jī)器的一瞬，全部通信線路暢通無阻。

這樣的中國超算，值得喝彩

喜悅還未退去，質(zhì)疑接踵而至。

在“天河一號(hào)”取得世界第一不久后，很多國內(nèi)外的專家和媒體質(zhì)疑其中看不中用，甚至還有專家調(diào)侃 “天河一號(hào)”實(shí)際上就是一臺(tái)大游戲機(jī)?！爱?dāng)時(shí)，我就怒了！”國家超級(jí)計(jì)算天津中心應(yīng)用研發(fā)部部長孟祥飛立下了軍令狀，干不好“天河一號(hào)”的應(yīng)用就卷鋪蓋走人。

如何讓更多企業(yè)、院校、科研單位成為“天河一號(hào)”的用戶？孟祥飛把自己的團(tuán)隊(duì)打造成售前、售后、研發(fā)的“三體”。為了讓“天河一號(hào)”忙起來，孟祥飛一年常常要跑上四、五十個(gè)城市，行程最多時(shí)可以繞地球兩圈。經(jīng)過不懈努力，現(xiàn)在每天在“天河一號(hào)”平臺(tái)上并發(fā)在線的研發(fā)任務(wù)有近1400項(xiàng)，每天要完成近萬項(xiàng)計(jì)算任務(wù)?！疤旌右惶?hào)”成為了名副其實(shí)的“國之重器”。

今年6月25日，新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單發(fā)布，美國超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”以峰值速度每秒20億億次占據(jù)榜首。在上榜的超算總數(shù)上，中國以206臺(tái)位居第一，美國為124臺(tái)。

“天河一號(hào)”副總設(shè)計(jì)師胡慶豐分析，從“天河一號(hào)”奪冠到美國的“頂點(diǎn)”居首，期間經(jīng)歷了日本的“京”、美國的“紅杉”和“泰坦”、中國的“天河二號(hào)”和“神威?太湖之光”，可以看出，美國、日本、中國同處于世界超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的領(lǐng)先行列，形成了在具體系統(tǒng)上交替領(lǐng)先的格局。

同時(shí)，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)在應(yīng)用的普及性和廣泛性方面發(fā)展態(tài)勢良好，高端應(yīng)用連續(xù)兩次獲得國際高性能計(jì)算機(jī)的最高獎(jiǎng)——戈登貝爾獎(jiǎng)。以“神威?太湖之光”和2017年完成技術(shù)升級(jí)和系統(tǒng)優(yōu)化的“天河二號(hào)”為標(biāo)志，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)具備了從自主微處理器、自主互聯(lián)、自主軟件系統(tǒng)到自主應(yīng)用的全方位自主研制。

國際超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一個(gè)目標(biāo)是被稱作“E級(jí)超算”的百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，美國、日本、歐洲都部署了“E級(jí)超算”研發(fā)計(jì)劃。按照中國的時(shí)間表，中國最早有望在2020年發(fā)布E級(jí)超算。目前中國同時(shí)啟動(dòng)了三大E級(jí)超算原型系統(tǒng)的研發(fā)，分別是國防科大和天津超算中心的“天河三號(hào)”、中科曙光的E級(jí)超算以及江南所和濟(jì)南超算中心的“神威”E級(jí)超算。