论文部分内容阅读
排名第一
2013年6月17日，在德国举行的国际超级计算大会，正式发布了第41届世界超级计算机500强排名。由中国国防科大研制的“天河二号”超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.386亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居捞首，成为全球最快超级计算机。
“天河二号”由170个机柜组成，占地面积720平方米，内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。“天河二号”运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年。其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册；相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，“天河二号”计算速度是它的两倍，计算密度是2.5倍，能效比相当。与曾经排名世界第一的“天河一号”相比，二者占地面积相当，但“天河二号”的计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了两倍。
超级计算机有5个核心要素：体系结构、互联技术、操作系统、CPU和应用软件，五者缺一不可。“天河二号”有独创的最先进的异构多态体系结构，自主研发的高速互联性能是国际商用产品的两倍，国产的“麒麟”操作系统具有很高的安全性。这意味着前三个要素我们都解决得很好，但作为计算机“心脏”的CPU，即中央处理器，以及应用软件则是短板。
“天河二号”使用的由我国自主研制的“飞腾1500”CPU，与国际商用CPU的差距已经进一步缩小，可以说是属于同一代产品了。但为什么国产CPU仍然仅占“天河二号”所使用的全部CPU的八分之一呢？关键在于CPU和应用软件的互相牵制。目前我国大多数大型应用软件都是从国外引进的，只能在国际商用CPU上运行。如果“天河二号”全部使用国产CPU，它将成为一台专用型机器，只能用于天气预报等我国拥有自主知识产权的应用软件。而“天河二号”将面向各领域用户，为了保证广泛的适用性，目前还只能用国际商用和国产的CPU共同构建系统。
全球科学家的难题
2010年11月，中国的“天河一号”曾摘得首枚超级计算机“金牌”，但不到8个月就被日本的超级计算机“京”赶超，紧接着美国研制的“红杉”“泰坦”先后问鼎世界最快超级计算机。尽管竞争如此激烈，但全世界的科学家都还不知道怎样造出一台运算速度达每秒100亿亿次的超级计算机来。除了涉及超级计算机五大核心要素的技术问题，耗电是个大问题，100亿亿次级计算机的能耗将是惊人的。运算速度为每秒3.386亿亿次的“天河二号”耗电量大概是17.8兆瓦。这是一个怎样的概念呢？在美国，如果一台计算机功耗为1兆瓦，运行一年的成本是100万美元。而现有的超级计算机只要开着，一年就得花掉2000万美元。
想造100亿亿次超级计算机的另一个挑战，是编程问题。一个人造一座房子显然太慢。如果增加到10个人，造房子的效率也许可以快上10倍。但是，如果让300万人一起造这座房子，你要关心的就是他们会不会彼此妨碍了。另一个关键问题是太贵了。除了你容易想到的硬件，实际上系统内部还有很多其他东西，包括软件、运算法则、应用、操作系统、编译器等等。所有这些都需要巨额的资金，而且都不是一个国家的科学家所能解决的。更何况需要使用100亿亿次超级计算机的有关气候、能源、生命科学、宇宙科学等事关人类未来命运的全球性问题，其本身都离不开全球性的解决方案，离不开全球科学家的协同创新。
为什么中国如此重视超级计算机的发展？就为了争世界第一？能拿第一当然不错，但它绝不是目的。科学需求才是推动中国发展超级计算机的最重要因素。在人类的科技发展进程中，实验和理论曾是探索世界的两种基本方式，看到此处，你是不是想起了爱迪生和爱因斯坦？而上世纪40年代诞生的电子计算机又为人类提供了科学发现的第三种手段——计算。科学计算的能力异常强大。哈勃太空望远镜看不到亿万年前的太空，计算机能算出来；实验无法预知未来气候，计算机能算出来；海啸来袭的速度极快，但美国科学家最近在超级计算机上发现了海啸和地震声波的关系，可以通过探测声波提前预警。这些事关人类未来命运的大问题，才是超级计算机发展的根本驱动力。
超级计算机是高度复杂的科学构体，它就像能够预知未来的水晶球。未来的气候变化、星系撞击、药物设计等极其复杂的问题，都可以在计算机上进行模拟。高性能计算能让我们更深入地观察问题，解析度和结果的逼真度更高，而且求得结果的速度也更快。这～点很重要。如果计算机很慢，为了发布明天的天气预报。也许得算上24个小时，这样的计算结果再准确也毫无意义了。因此，既要计算速度快又要求解精确，就只能靠高性能运算。
谁在使用超级计算机
发展超级计算机，政府支持当然很重要。没有政府支持，个人是很难进行这么大规模投入的。看看超级计算机500强榜单上的机器及其用途，很有意思的一点是，它们中的大约一半都用于产业界，而不是实验室或大学。它们的使用者是那些有模拟或预报需求并进行运算的公司。这些公司深知高性能计算机的重要性。他们明白，买下这些机器就有了竞争优势。因此，高性能计算机已经超越了通常的科学需求，他们被广泛用于产业界并发挥了积极作用。
人们对大数据的日益重视也是高性能计算发展的良机。数据也是高性能计算的驱动力，在高性能计算机上运行的几乎每一项应用都有大数据需求，两者密不可分。高性能计算离不开大数据，大数据以及怎样解决大数据带来的一系列挑战，同样离不开高性能计算。今天越来越多的人乐于谈论大数据，其实大数据背后仍然是高性能计算。
与已经进入寻常百姓家的个人电脑相比，这些运算速度动辄以千万亿次、亿亿次来计算的超级计算机，和老百姓的日常生活又有什么关系呢？其实，人们习以为常的种种生活方式，都有超级计算机的参与，只是许多人并不知道而已。
你有没有察觉自己的生活已经离不开网络了？在网络日益普及的今天，面对数千万、数亿用户的访问请求，服务器必须有强大的数据吞吐和处理能力。而这正是超级计算机发挥作用的舞台。高性能服务器每秒钟可以处理数千万乃至数亿次服务请求，及时提供用户所需要的信息和服务。
无论是因为雾霾沉沉还是极端天气频频来袭，人们对天气预报是越来越关心了。实际上，天气预报的内容也是超级计算机计算的结果。目前，世界上最高水平的天气预报可预报8天，我国为5～6天。但对于中长期预报特别是气候预报来说，目前世界上运算速度最快的超级计算机仍然无法满足需求。世界上一个公认的说法是，天气预报时效每增加一天，气象和计算机界需要努力10年。
十年前SARS肆虐，今年H7N9型禽流感病毒来袭，面对疾病流行，人们总是呼唤疫苗和特效药。然而，研制一种新药，从化合物筛选到临床试验，一般需要10～15年的时间。使用超级计算机，以计算机模拟的手段，科学家可以在较短的时间内从几十万甚至几百万种化合物中筛选出有效的药物化合物，不仅节省了购买真实化合物的大量资金，而且大大缩短了药物研发的周期。
不论足开私家车还是坐公交车，咱们的生活都已经离不开石油工业了。我国第一个用上超级计算机的行业正是石油勘探，从上世纪80年代就开始使用“银河”系列超级计算机了。怎么把地下的石油尽可能多地采出来，需要靠超级计算机：汽车安全性的碰撞实验，也要用趟级计算机进行先期模拟；集成电路设计，如何在一平方厘米大小的芯片上把几亿个、几十亿个晶体管连接成需要的电路、需要的性能，更要靠超级计算机帮助设计。
2013年6月17日，在德国举行的国际超级计算大会，正式发布了第41届世界超级计算机500强排名。由中国国防科大研制的“天河二号”超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.386亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居捞首，成为全球最快超级计算机。
“天河二号”由170个机柜组成，占地面积720平方米，内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。“天河二号”运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年。其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册；相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，“天河二号”计算速度是它的两倍，计算密度是2.5倍，能效比相当。与曾经排名世界第一的“天河一号”相比，二者占地面积相当，但“天河二号”的计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了两倍。
超级计算机有5个核心要素：体系结构、互联技术、操作系统、CPU和应用软件，五者缺一不可。“天河二号”有独创的最先进的异构多态体系结构，自主研发的高速互联性能是国际商用产品的两倍，国产的“麒麟”操作系统具有很高的安全性。这意味着前三个要素我们都解决得很好，但作为计算机“心脏”的CPU，即中央处理器，以及应用软件则是短板。
“天河二号”使用的由我国自主研制的“飞腾1500”CPU，与国际商用CPU的差距已经进一步缩小，可以说是属于同一代产品了。但为什么国产CPU仍然仅占“天河二号”所使用的全部CPU的八分之一呢？关键在于CPU和应用软件的互相牵制。目前我国大多数大型应用软件都是从国外引进的，只能在国际商用CPU上运行。如果“天河二号”全部使用国产CPU，它将成为一台专用型机器，只能用于天气预报等我国拥有自主知识产权的应用软件。而“天河二号”将面向各领域用户，为了保证广泛的适用性，目前还只能用国际商用和国产的CPU共同构建系统。
全球科学家的难题
2010年11月，中国的“天河一号”曾摘得首枚超级计算机“金牌”，但不到8个月就被日本的超级计算机“京”赶超，紧接着美国研制的“红杉”“泰坦”先后问鼎世界最快超级计算机。尽管竞争如此激烈，但全世界的科学家都还不知道怎样造出一台运算速度达每秒100亿亿次的超级计算机来。除了涉及超级计算机五大核心要素的技术问题，耗电是个大问题，100亿亿次级计算机的能耗将是惊人的。运算速度为每秒3.386亿亿次的“天河二号”耗电量大概是17.8兆瓦。这是一个怎样的概念呢？在美国，如果一台计算机功耗为1兆瓦，运行一年的成本是100万美元。而现有的超级计算机只要开着，一年就得花掉2000万美元。
想造100亿亿次超级计算机的另一个挑战，是编程问题。一个人造一座房子显然太慢。如果增加到10个人，造房子的效率也许可以快上10倍。但是，如果让300万人一起造这座房子，你要关心的就是他们会不会彼此妨碍了。另一个关键问题是太贵了。除了你容易想到的硬件，实际上系统内部还有很多其他东西，包括软件、运算法则、应用、操作系统、编译器等等。所有这些都需要巨额的资金，而且都不是一个国家的科学家所能解决的。更何况需要使用100亿亿次超级计算机的有关气候、能源、生命科学、宇宙科学等事关人类未来命运的全球性问题，其本身都离不开全球性的解决方案，离不开全球科学家的协同创新。
为什么中国如此重视超级计算机的发展？就为了争世界第一？能拿第一当然不错，但它绝不是目的。科学需求才是推动中国发展超级计算机的最重要因素。在人类的科技发展进程中，实验和理论曾是探索世界的两种基本方式，看到此处，你是不是想起了爱迪生和爱因斯坦？而上世纪40年代诞生的电子计算机又为人类提供了科学发现的第三种手段——计算。科学计算的能力异常强大。哈勃太空望远镜看不到亿万年前的太空，计算机能算出来；实验无法预知未来气候，计算机能算出来；海啸来袭的速度极快，但美国科学家最近在超级计算机上发现了海啸和地震声波的关系，可以通过探测声波提前预警。这些事关人类未来命运的大问题，才是超级计算机发展的根本驱动力。
超级计算机是高度复杂的科学构体，它就像能够预知未来的水晶球。未来的气候变化、星系撞击、药物设计等极其复杂的问题，都可以在计算机上进行模拟。高性能计算能让我们更深入地观察问题，解析度和结果的逼真度更高，而且求得结果的速度也更快。这～点很重要。如果计算机很慢，为了发布明天的天气预报。也许得算上24个小时，这样的计算结果再准确也毫无意义了。因此，既要计算速度快又要求解精确，就只能靠高性能运算。
谁在使用超级计算机
发展超级计算机，政府支持当然很重要。没有政府支持，个人是很难进行这么大规模投入的。看看超级计算机500强榜单上的机器及其用途，很有意思的一点是，它们中的大约一半都用于产业界，而不是实验室或大学。它们的使用者是那些有模拟或预报需求并进行运算的公司。这些公司深知高性能计算机的重要性。他们明白，买下这些机器就有了竞争优势。因此，高性能计算机已经超越了通常的科学需求，他们被广泛用于产业界并发挥了积极作用。
人们对大数据的日益重视也是高性能计算发展的良机。数据也是高性能计算的驱动力，在高性能计算机上运行的几乎每一项应用都有大数据需求，两者密不可分。高性能计算离不开大数据，大数据以及怎样解决大数据带来的一系列挑战，同样离不开高性能计算。今天越来越多的人乐于谈论大数据，其实大数据背后仍然是高性能计算。
与已经进入寻常百姓家的个人电脑相比，这些运算速度动辄以千万亿次、亿亿次来计算的超级计算机，和老百姓的日常生活又有什么关系呢？其实，人们习以为常的种种生活方式，都有超级计算机的参与，只是许多人并不知道而已。
你有没有察觉自己的生活已经离不开网络了？在网络日益普及的今天，面对数千万、数亿用户的访问请求，服务器必须有强大的数据吞吐和处理能力。而这正是超级计算机发挥作用的舞台。高性能服务器每秒钟可以处理数千万乃至数亿次服务请求，及时提供用户所需要的信息和服务。
无论是因为雾霾沉沉还是极端天气频频来袭，人们对天气预报是越来越关心了。实际上，天气预报的内容也是超级计算机计算的结果。目前，世界上最高水平的天气预报可预报8天，我国为5～6天。但对于中长期预报特别是气候预报来说，目前世界上运算速度最快的超级计算机仍然无法满足需求。世界上一个公认的说法是，天气预报时效每增加一天，气象和计算机界需要努力10年。
十年前SARS肆虐，今年H7N9型禽流感病毒来袭，面对疾病流行，人们总是呼唤疫苗和特效药。然而，研制一种新药，从化合物筛选到临床试验，一般需要10～15年的时间。使用超级计算机，以计算机模拟的手段，科学家可以在较短的时间内从几十万甚至几百万种化合物中筛选出有效的药物化合物，不仅节省了购买真实化合物的大量资金，而且大大缩短了药物研发的周期。
不论足开私家车还是坐公交车，咱们的生活都已经离不开石油工业了。我国第一个用上超级计算机的行业正是石油勘探，从上世纪80年代就开始使用“银河”系列超级计算机了。怎么把地下的石油尽可能多地采出来，需要靠超级计算机：汽车安全性的碰撞实验，也要用趟级计算机进行先期模拟；集成电路设计，如何在一平方厘米大小的芯片上把几亿个、几十亿个晶体管连接成需要的电路、需要的性能，更要靠超级计算机帮助设计。