研究人員仔細檢查每個系統(tǒng)節(jié)點。

1月9日，北京，人民大會堂。

國防科技大學“天河一號”獲2014年國家科技進步獎特別獎。湖南漣源人、“天河一號”工程總指揮廖湘科作為2014年國家科技進步獎代表發(fā)言。

這是一個歷史性的時刻。從1983年中國科學家成功研制出第一代“銀河”超級計算機開始，經(jīng)過幾代中國科學家的艱苦探索，中國的超級計算機終于登上了世界之巔，盡顯王者風范。“天河一號”被譽為“全國最重的武器”。

這個光榮的WINNER的故事從恥辱的玻璃房子開始。

正式介紹

在國防科技大學，很多人都聽說過玻璃房子的故事。

對于高性能電腦，歐美國家對中國實行了長期禁運，也成立了專門從事禁運的機構(gòu)。80年代，中國氣象部門想從美國克萊公司進口一臺電腦，但美國人死活不肯賣。后來我終于松口了，但是美國政府不得不對出口到中國的高性能電腦進行監(jiān)控，就是在機房安裝監(jiān)控儀器，把機器封在玻璃房里自己人監(jiān)控，禁止中國科技人員進入。

2010年，國防科技大學超級計算機“天河一號”獲得國際500強第一名。在接受新華社采訪時，總設(shè)計師楊曾大談自己親眼看到玻璃房子的感受:“這段真實的歷史，是中國科研工作者心中永遠的痛。在中國土地上，外國人被‘技術(shù)門’拒之門外，就像農(nóng)民家里沒飯吃，母親沒奶喂孩子。”

面對西方國家如此嚴密的技術(shù)封鎖，以慈云貴教授為代表的中國第一代計算機科學家坐不住了。國防科技大學計算機系和計算機研究所的創(chuàng)始人，帶領(lǐng)國防科技大學計算機研究團隊，于1983年12月研制出中國第一臺十億次巨型電子計算機，取名“銀河”。從此，中國成為繼美國、日本之后，能夠自主設(shè)計制造超級計算機的國家。慈云歸被譽為中國超級計算機之父。

從云貴到楊，短短幾十年的中國超級計算，可以用楊的一句詩來形容:夢見天河，閃電巡陸十億年。濱海坐地匆匆，倚天妙計。

當時，當我得知“天河一號”獲得國際500強第一名時，楊說:“我們做了一些讓自己滿意的事情，做了一些讓中國人驕傲的事情。”得到這首詩。

前奏

中國的超級計算總是比別人差一點點，讓人心痛

90年代初，微處理器的出現(xiàn)導(dǎo)致了MPP整體技術(shù)的突破。人類計算機已經(jīng)進入了超級計算機時代。國際戰(zhàn)略家認為，“超級計算機已經(jīng)成為國際競爭的戰(zhàn)略領(lǐng)域?！?/p>

1993年，德國曼海姆大學的漢斯·埃里克教授開始實施國際500強排名。雖然純粹是“民間活動”，但卻釋放出了強大的魅力，甚至贏得了政治家的青睞，日益演變成“高科技奧運”。

此時，國防科大Galaxy系列超級計算機的關(guān)鍵技術(shù)正在如火如荼的進行著。但每當中國躍上一個新臺階，美國或日本很快就會宣布研制出世界上最快的超級計算機。用那句臺詞的話說:“我們的超級計算機水平總是比別人差一點”。

雖然只是一點點，但在日益激烈的國際競爭中卻大相徑庭。在一篇即將在發(fā)表的報告文學中，作者龔評論了這“一點點”:

如果別人長得那么“高一點”，那就意味著站在“高峰”上，可以用俯視的眼光看世界；你這么“低”一點，說明你還在半山腰，只能抬頭卑微別人！

別人只要高“一點點”，就可以狂妄地說“這個在中國不能賣給你”“那個在中國不能賣給你”，還可以告訴你怎么做，讓你做這個，不讓你做那個...總之，別人愛干嘛干嘛，你不喜歡別人！

這個“一點點”是套在中國人脖子上的“套索”，讓人喘不過氣來。

這個“一點點”是一把掛在中國人頭上的“劍”，深深刺痛著中國人的心。

中國站在同一起跑線上，巔峰對決開始

21世紀，世界超級計算機的發(fā)展遇到了“冰封”時期。為了提高超級計算系統(tǒng)的整體性能，科學家們只能依靠增加系統(tǒng)規(guī)模:例如，計算機有幾個足球場那么大，需要建造一個特殊的發(fā)電站來滿足其功耗。2004年，日本的“地球模擬器”一度占據(jù)國際500強榜首，但它的機房實際上需要四層，銅纜長達數(shù)百公里。

超級計算技術(shù)需要新的架構(gòu)理論來支撐。這也意味著，中國和美國、日本等發(fā)達國家處在同一起跑線上，是時候在超級計算領(lǐng)域打一場決戰(zhàn)，沖擊巔峰了！

經(jīng)過反復(fù)論證，楊在國際上首次提出了異構(gòu)融合架構(gòu)技術(shù)。2006年，他帶領(lǐng)R&D團隊解決關(guān)鍵問題。楊擔任行政領(lǐng)導(dǎo)、總工程師等多個職務(wù)，每周抽出兩天時間與大家交流、討論學術(shù)問題。晚飯時間過后，他買單，繼續(xù)在飯桌上討論。通常，和他的成員楊會帶兩個手機面板。一旦發(fā)現(xiàn)新東西就打電話討論，經(jīng)常在手機上燒耳朵。

2007年6月，楊帶領(lǐng)團隊完成了《64位流處理器體系結(jié)構(gòu)研究》的研究論文，該論文在計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)國際會議上發(fā)表，并被國際權(quán)威期刊接受。這是ISCA承認的第一篇由中國學者獨立完成的學術(shù)論文。也是中國人在計算機發(fā)展史上提出的第一個架構(gòu)理論。

中國科學家為世界超級計算機技術(shù)突破“冰凍期”提供了全新的思維方式。中國和世界計算機強國之間的“巔峰”對抗已經(jīng)開始。

兩次襲擊

“冒險”攻擊:直接沖刺從每秒10萬億次到每秒1000萬億次

從2006年開始，楊和他的團隊開始了一場極具創(chuàng)意甚至有點冒險的主動進攻。

當時國家制定了“先研制兩百萬臺超級計算機，再研制一臺千兆級超級計算機”的“兩步走”戰(zhàn)略。而以楊為總設(shè)計師的總工程師組，經(jīng)過深入的技術(shù)研究和反復(fù)權(quán)衡利弊，決定直接從每秒10萬億次沖刺到每秒1000萬億次，走的是別人從來沒有走過的CPU+GPU技術(shù)路線。這個非同尋常的決定引起了軒然大波。

以10倍的速度開發(fā)超級計算機已經(jīng)成為國際慣例。從每秒10萬億次直接跳到每秒1000萬億次是不是有點太大了？然而，楊認為，雖然兩步一步在世界上是罕見的，但對銀河人來說并不新鮮。慈云貴帶領(lǐng)大家開發(fā)王源-1遠洋測量船中心電腦的時候，不是直接從每秒一萬次沖刺到每秒一百萬次嗎？當今世界，超級計算機的性能每10年提高1000倍。在這種情況下，如果按所謂的“慣例”一步一步來，只能永遠跟在別人后面。

野心再大，也需要實踐檢驗。偏劍怪棋不太好。

CPU+GPU的異構(gòu)集成架構(gòu)，形象地說是將很多CPU和GPU有機地連接成一個“捆綁火箭”。

中國有句諺語:“一個和尚挑水喝，兩個和尚挑水喝，三個和尚沒水喝。”把幾千個CPU和幾千個GPU組合成一個“大廟”，還能硬“挑水”嗎？

2009年3月，他們把CPU和GPU結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)總性能不到600億倍，而一個CPU的性能接近500億倍。也就是說，雖然GPU在圖像處理上的速度驚人，但是把它和CPU放在一起進行科學計算就變得很懶，計算效率只有20%左右。

面對考試成績，大家心里都涼了半截。聽完情況匯報，楊向妻子招手:“你去把車開過來，帶我出去走走?！碑斳囻偝龈咚偈召M站時，楊拿出手機堅定地說:“別人不敢走的路，不代表自己不能走。從技術(shù)原理分析，通過軟件優(yōu)化可以大大提高GPU的計算性能……”

“特種兵”在長沙郊區(qū)封閉了半年

關(guān)鍵時刻，經(jīng)學校黨委推薦，時任中央軍委主席的胡錦濤任命廖湘科為petascale超級計算機項目總指揮兼執(zhí)行副總工程師。這個湖南籍的男人也是“虎將軍”。1983年，當“銀河一號”研制成功的消息傳來時，正在清華讀書的廖湘科和他的同學們立即南下長沙，親眼目睹了創(chuàng)造歷史的機器是什么樣的。畢業(yè)后，廖湘科毫不猶豫地進入國防科技大學攻讀碩士學位。用他的話說:“我剛?cè)チ恕y河’！”

面對挫折，楊、、不僅沒有退縮，還做出了非同尋常的決定:將完成研發(fā)任務(wù)的時間節(jié)點從2010年底提前一年，即在2009年底前推出中國第一臺千兆級超級計算機。很多人擔心:“關(guān)鍵技術(shù)還沒有突破，任務(wù)提前一年完成。能做到嗎？”

總攻已經(jīng)開始。位于長沙郊區(qū)的防汛指揮部——國防科技大學的超級計算機創(chuàng)新團隊已經(jīng)關(guān)閉半年了。

楊燦群帶領(lǐng)的“突擊隊”在三層樓房里呆了一整天，試圖調(diào)動GPU修士們的積極性，讓他們從早上7點到午夜都能“挑水”，眼睛只盯著顯示屏。

一連好幾天沒有任何成果，楊燦群在床上翻來覆去，閉上眼睛，滿腦子都是波浪般翻滾的數(shù)據(jù)。突然，他隱約覺得眼前滾動的一些數(shù)據(jù)低于設(shè)計目標，爬起來跑到辦公室打開電腦，進入實驗數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)GPU的一些計算資源沒有被使用。興奮之余，楊燦群立即著手優(yōu)化程序。

楊燦群帶領(lǐng)突擊隊乘勝追擊，擴大戰(zhàn)果。他連續(xù)奮戰(zhàn)四個月，改進優(yōu)化8萬多次，創(chuàng)造了科學奇跡:GPU計算效率躍升至70%以上，達到世界最高水平！

張屠夫死后，中國人還是不吃帶毛的豬！

沒有時間再激動了，一個接一個的挑戰(zhàn)來了。要實現(xiàn)每秒數(shù)十億次運算，超級計算機系統(tǒng)不僅需要CPU和GPU“快速計算”，還需要一個快速平滑的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使各種信息“快速運行”。但在2009年7月的試運行中，發(fā)現(xiàn)由于GPU的穩(wěn)定性不夠，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行時間幾乎不能超過半小時。“特種兵”想日夜解決GPU的穩(wěn)定性，被稱為petascale超級計算機通信網(wǎng)絡(luò)“立交橋”的新切換方案又出了問題:芯片制造商美國技術(shù)工程師堅決反對他們的提議，拒絕支持。如果堅持走自己的設(shè)計路線，一切都要從零開始探索，創(chuàng)新是困難的，也是有風險的；如果我們完全按照美國的計劃，我們可以肯定會成功，但沒有創(chuàng)新或優(yōu)勢。

怎么辦？

不信的銀河人選擇了前者。他們堅信，沒有美國人的技術(shù)支持，中國人依然會做出新的開關(guān):即使張屠夫死了，中國人依然不會吃帶毛的豬！

短短10個月，他們研制出了一種新型開關(guān)，測得的技術(shù)指標大大超過了同類系統(tǒng)，成本是同規(guī)模產(chǎn)品的80%。

2009年國慶前夕，第一期超級計算機系統(tǒng)每十億次安裝。這時候，性能更高的新型GPU上市了，讓大家興奮不已，欣喜若狂。但是離任務(wù)節(jié)點只有一個月了，GPU更換必須拆開再重裝。整個系統(tǒng)有2560多個節(jié)點，團隊完成GPU更換一般需要半個月左右。整個團隊二話不說，投入了男女老少的戰(zhàn)斗，終于在三天三夜內(nèi)完成了數(shù)千個GPU的更換工作。任務(wù)完成后，每個人的手上都蓋著創(chuàng)可貼，一雙眼睛熬紅了。

三場決戰(zhàn)

經(jīng)過兩天三夜的睡眠，發(fā)起新的挑戰(zhàn)

2009年10月29日，中國第一臺千兆級超級計算機橫空出世空，中國成為世界上第一個掌握CPU+GPU異構(gòu)集成架構(gòu)技術(shù)的國家，也是第二個研制千兆級超級計算機的國家。時任中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席胡錦濤聽到這個消息，親自給她取名“天河”。

2009年11月18日，國際500強榜單出爐。“天河一號”獲得世界第五，亞洲第一，這是中國機在500強排名中的最好成績。十大機器中，9臺美國制造，只有天河一號是中國制造。國防科技大學教授王寶生代表該隊領(lǐng)獎時說:“感覺就像在奧運會上贏得了一枚大獎牌。像奧運會一樣演奏中華人民共和國國歌，那就太美了。”

天河一號總工程師楊接到大洋彼岸的好消息后，放下手機，倒在床上睡了兩天三夜。

作為一個在超級計算機前沿戰(zhàn)斗多年的老兵，他知道在這個充滿火藥味的競爭領(lǐng)域，稍有懈怠，就會被別人超越甚至淘汰。2009年10月，國防科大計算機學院超級計算機創(chuàng)新團隊召開天河一號系統(tǒng)二期動員大會，目標是每秒4700萬億次，必須用自己的CPU逐步改變微處理器依賴進口的局面。

“中國機器，外國核心”是一種說不出的遺憾，是中國人心中隱隱的痛。

許多同行專家對此深表欽佩和擔憂:“一年之內(nèi)，機器的性能將提高近三倍，除非發(fā)生奇跡?！?/p>

奇跡真的發(fā)生了。

2010年11月，在世界超級計算大會上，“天河一號”二期系統(tǒng)以其計算峰值比第二名——“美洲虎”高出一倍多的絕對優(yōu)勢獲得國際500強第一名，打破了美國在超級計算機領(lǐng)域的長期霸主地位，標志著我國自主研發(fā)的超級計算機綜合技術(shù)水平進入世界領(lǐng)先行列。

玩過幾個《上甘嶺》

這樣的奇跡，來源于超越常人的超級大膽和艱辛。參與者表示，他們真的玩過幾款“上甘嶺”游戲。比如通信光纖的防御。

通信光纖的鋪設(shè)是“天河一號”二期系統(tǒng)進入國家超級計算天津中心的一期工程，時間緊，任務(wù)重。為了保證施工任務(wù)如期完成，指揮員把任務(wù)細化到天，要求大家“任務(wù)沒完成當天不吃不睡”。

我不知道有些是剛開工第一天就鋪好的。施工指揮拿起一看，頓時目瞪口呆:光纖的絕緣橡膠磨破了，有裂縫，光纖的芯部有些地方露出來了。原來是溝的水泥面太粗糙，盛夏溝溫高達40度，所以光纖保溫層烤得像細骨一樣，可以承受水泥地面的破壞。這個問題不解決，后果不堪設(shè)想。信號會中斷，通信會短路，系統(tǒng)會紊亂。

如何避免光纖絕緣層損壞？大家絞盡腦汁也沒有想出辦法。指揮官擦了擦臉上的汗，拍了拍大腿:“有辦法！”

我看見他脫下襯衫和褲子，跳進悶熱的陰溝里，趴在粗糙的水泥地上。大家一看到，馬上就明白了指揮官的意思。沒有任何人的命令，他們脫下衣服，跳進陰溝里，鋪上一張光滑的“人毯”！

一根光纖沿著官兵光滑的皮膚平滑地向前延伸。官兵的血肉在滾燙的水泥地上被烤焦了，每個人都滿身是汗和污垢。

肉都磨破了，傷口還在流血，沒有人退縮...

天津濱海新區(qū)一位領(lǐng)導(dǎo)看到這一幕非常感動?！霸趹?zhàn)爭年代，我們的士兵用他們的血肉堵住漏洞，炸毀碉堡，為民族獨立和人民解放而戰(zhàn)。和平年代，人民軍隊跳入洪流，堵住大堤，冒著地震，搶救人民。今天看到我軍科研人員光著屁股躺在陰溝里，汗流浹背，血流不止，不撤退，為了保護科研設(shè)備。人民軍隊的光榮傳統(tǒng)沒有在你身上喪失！我們國家有這樣的研究團隊，就算是再難的項目也能拿下！”

幾十個人光著身子光著背在粗糙悶熱的戰(zhàn)壕里爬了幾十天，被堅硬的混凝土和光纖劃得遍體鱗傷。但是15000根光纖毫發(fā)無損。

天河一號二期系統(tǒng)調(diào)試當天，機器一開機，所有通訊線路就暢通了。國家超級計算天津中心領(lǐng)導(dǎo)特意看了看官兵背上尚未愈合的傷口，感慨道:“天河一號二期系統(tǒng)首測順利，有你的貢獻！信用本上，有大家族的名字！”

尾聲

2015年1月7日，國防科技大學天河樓4樓長沙。

上午9點，計算機學院教授、博士生導(dǎo)師陸鈺彤穿著筆挺的軍裝來到辦公室。前一天晚上，她加班到晚上十點半。作為天河的總設(shè)計師，陸鈺彤早就習慣了這種工作模式。她告訴三相都市報記者，“開發(fā)天河一號和天河二號的時候，加班熬夜是常事。我們稱之為‘五加二，白加黑’?！?/p>

陸鈺彤，皮膚白皙，身材修長，是國防科技大學著名的美容學家，天河R&D隊為數(shù)不多的女性之一。1983年Galaxy開發(fā)成功的時候，這個年輕的長沙女孩向往著這個“Galaxy-我出生的地方”，在國防科技大學從本科到博士。

和、陸鈺彤一樣，越來越多的年輕人因為銀河一號、天河一號來到這里，2010年天河一號奪冠時，整個天河隊的平均年齡只有30歲，總設(shè)計師楊只有46歲。

半年后，天河一號被日本的“京”超越。此后，美國紅杉和泰坦先后獲得第一名。但從2013年6月到2014年11月，“天河二號”連續(xù)四次排名第一，獲得“四連冠”。

天河一號的管理者和運營者劉光明對比天河一號和天河二號:“天河一號”運營一個小時，相當于13億人同時用計算器算340年；天河二號一個小時的運行相當于13億人算1000年。

在超級計算機的國際競爭戰(zhàn)略領(lǐng)域，巔峰對抗永無止境，中國已經(jīng)將王者風范鐫刻在史冊上。

■特約撰稿人龔記者嚴平照片由龔提供

科普

天河超級計算機能做什么？

算上天、地、人...

2015年1月9日，“天河一號”超級計算機獲得2014年國家科技進步獎特別獎。超級計算機有什么神奇之處？它和我們的生活有什么關(guān)系？

“超級計算機計算天空，計算土地，計算人，計算過去，計算現(xiàn)在，計算未來...利用超級計算在地球上做CT，可以快速準確的找到石油；用超級計算分析人類基因可以解讀生命的奧秘……”

國家超級計算中心主任劉光明這樣解釋超級計算。超級計算已經(jīng)進入各行各業(yè)，千家萬戶，人們的衣、食、住、行、樂無時無刻不在分享著超級計算機計算的“紅利”。

數(shù)數(shù)日子:飛機為什么能飛得更高更快？

航空空航空航天是大國競爭的焦點?！疤旌右惶枴笔俏覈笮秃教旌娇诊w機設(shè)計空氣動仿真和新型發(fā)動機開發(fā)的重要平臺。例如，使用超級計算作為風洞，設(shè)計的飛機可以飛得更快、更高、更省油。

超級計算也可以幫助控制大氣煙霧。為了摸清霧霾形成的區(qū)域、過程及相關(guān)因素，建立相關(guān)模型，做出準確預(yù)測，中國氣象科學研究院、國家氣象中心、清華大學、國家超級計算天津中心等機構(gòu)通力合作，利用天河一號10%-20%的計算資源，建立并完善了數(shù)字模擬模型。目前，該研究取得了關(guān)鍵進展，有望在三到五年內(nèi)對霧霾氣候做出準確預(yù)測，為國家制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供相關(guān)評估數(shù)據(jù)。

計算土地:給地球一個CT找油

油呢？當人們想到這個問題時，就會出現(xiàn)地質(zhì)勘探人員背著沉重的設(shè)備，用小錘子在河湖岸邊的巖石間敲打的場景。超級計算技術(shù)已經(jīng)把這種獨創(chuàng)的“找油”方法送到了歷史博物館。人們利用超級計算機科學計算人工地震波的反射數(shù)據(jù)，建立大規(guī)模三維地質(zhì)模型，可以恢復(fù)某一地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進而確定石油天然氣的具體方位和儲量。電腦運行越快，探索就越快越準。

天河石油地球物理計算中心以中石油、中石化、中海油為重點，搭建了完善的地震地球物理數(shù)據(jù)處理和地球物理信息管理平臺，大力開展石油地球物理數(shù)據(jù)處理的開發(fā)和應(yīng)用，成功設(shè)計了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的石油三維偏移軟件，扭轉(zhuǎn)了該領(lǐng)域受制于人的局面，促進了產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步和協(xié)同創(chuàng)新。

清點人數(shù):生物醫(yī)學的新革命

天津國際生物醫(yī)學聯(lián)合研究所的科學家說:“過去我們研究開發(fā)一種新藥，要投入10億美元，進行10萬次化合物篩選，歷時10年?，F(xiàn)在我們用‘天河一號’篩選一周，可以完成過去一年的篩選量，大大縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，為新藥研發(fā)提供新思路。高性能計算在藥物研發(fā)中的應(yīng)用是醫(yī)藥行業(yè)的一場革命?！?/p>

中科院上海藥物研究所的科學家也通過計算模擬與藥物實驗相結(jié)合的方式，在天河一號上確認了一個全新的藥物作用位點。藥物設(shè)計直接在天津超級計算中心進行，不經(jīng)過任何化學作用，就獲得了一種對某種疾病有顯著療效的藥物。在“天河二號”上，他們對75萬種小分子化合物進行了親和力評價，完成了600多種藥物的體內(nèi)外活性測試，為人類治療惡性腫瘤、乙肝、糖尿病等慢性病提供了一種新的途徑。

計算過去和計算未來:探索我們的星球

幾萬年前和幾億年前人類居住的星球是什么樣的？它是怎么變成今天這個樣子的？要解開每個地球的奧秘，必須依靠超級計算機進行數(shù)值模擬，全面系統(tǒng)地研究各種物理、化學、生物變化過程。天河一號已經(jīng)成為中科院大氣物理研究所、國家海洋局、國家氣象局的研發(fā)模擬平臺。通過模擬全球氣候變化和海洋環(huán)境變化，對人類未來的生存環(huán)境有一定的認識，為保障人類社會的可持續(xù)發(fā)展提供科學數(shù)據(jù)。

■特約撰稿人龔記者李婷婷