天河二号“王者归来”

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国防科大“天河”大楼，天河二号超级计算机静静地向人们展示着它的魅力：170个外形如大冰箱的黑色机柜，占地面积720平方米，气势恢宏。机柜表面闪烁着蓝色荧光，向来访者昭示着“超算王国”的神秘之处。

6月17日，在德国莱比锡召开的第41届国际超级计算大会上，国际TOP500组织正式世界超算500强排名，国防科大研制的天河二号以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。这也意味着在时隔两年半后，中国超级计算机运算速度重返世界之巅。

“打个比方，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可存储每册10万字的图书600亿册。”天河二号副总设计师胡庆丰研究员介绍。

另一个更为生动的例子则是电影《阿凡达》。当时《阿凡达》的动漫渲染制作动用了众多超级计算机资源、耗时一年多才完成，如果用天河二号，1个月足矣。

天河二号内存总容量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。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，天河二号每秒33.86千万亿次的计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相当。与此前研制的天河一号相比，天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，二者占地面积相当，执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的1/3。中国科学院超级计算中心主任迟学斌的统计表明，最近10年，美国超级计算机性能提升了500倍，而中国超级计算机性能则提升了5000倍。

2010年11月17日，国防科大研制的天河一号凭借每秒4700万亿次的峰值速度和每秒2566万亿次的持续速度，让中国人首次站到了超级计算机世界冠军的领奖台上。

然而，仅过了不到8个月，日本超级计算机“京”就将天河一号挤下冠军台。之后，美国研制的 “红杉”、“泰坦”超级计算机先后坐上世界第一的交椅，天河一号排名滑落至第8位。

从银河到天河，从天河一号到天河二号……凭着雄厚的技术积累和预先研究取得的成果，国防科大成功立项国家科技部863计划信息技术领域“高效能计算机研制”重大项目。今年5月，峰值速度达5.49亿亿次的天河二号亮相。

那么，王者归来的天河二号能在世界第一的位置上维持多久？“相互超越很可能会成为今后世界超算强国竞争的常态。我们有能力也有信心，不断缩小与发达国家的差距。” 天河二号工程总指挥、总设计师廖湘科研究员说。

“一是高性能，峰值速度和持续速度都创造了新的世界纪录。二是低能耗，能效比为每瓦特19亿次，达到了世界先进水平。三是应用广，主打科学工程计算，兼顾了云计算。四是易使用，创新发展了异构融合体系结构，提高了软件兼容性和易编程性。五是性价比高。”

2013国际超级计算大会上，天河二号的介绍引来阵阵掌声。

世界超级计算机的发展历程表明，计算能力每提高一个量级，都需要体系结构的创新和一系列关键技术的新突破。尽管有天河一号研制的技术积累和工程经验，但要突破亿亿次级超级计算机关键技术并非易事。超级计算机运算性能的提升，决不是量的简单叠加，而是全系统质的跨越。

体系结构是高性能计算机的“筋骨”。研制人员在总结天河一号成功经验的基础上，自主创新了新型异构多态体系结构，实现了多类型计算资源、输入输出资源和服务资源的灵活配置，在强化科学工程计算的同时，可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用，显著扩大了天河二号的应用领域。

随着系统规模的扩大，用电量随之大增。天河二号通过采用综合化的能耗控制，设计实现了面向高效能计算的层次式优化框架、自适应能耗控制算法及低损耗、高效率的电源设计，有效提高了系统的能效比，达到了世界先进水平。

科研人员还介绍，如果不能有效解决超级计算机的体积问题，系统的安装调试、运行管理等都将成为很大的难题。天河二号设计实现了高密度、高精度的结构工艺，采用了多机柜封闭循环的水风混合冷却方案，有效缩减了系统体积，与美国“泰坦”相比，体积小了15%。

天河二号工程副总指挥李楠研究员介绍，天河二号的体系结构、高速互连技术、操作系统等实现了中国创造，拥有自主知识产权，而CPU芯片和应用软件还没有完全国产化。但值得一提的是，由国家重大专项支持、国防科大自主研制的新一代FT1500CPU，是当前国内主频最高的通用CPU。

其实，利用“天河”渲染制作的国产电影《关云长》、新版电视剧《西游记》以及美国电影《生化危机2》等，早已走进影院、搬上荧屏。这只是超算应用于老百姓生活的一个缩影，“天河”已经广泛应用于食、医、行、娱等领域。

据了解，2010年天河一号在国家超级计算天津中心投入使用后，“天河”超级计算机的用户迄今已超过600个，在石油勘探、地震数据处理、土木工程设计、航空航天、生物医药、天气预报与气候研究、海洋环境研究、新能源、新材料、宇宙科学研究、动漫与影视渲染等领域得到广泛应用。

而在天河二号上，若干典型应用的运算规模、计算效率、精细度均已超过天河一号。如研发一款新型车，采用传统手段要经过上百次的真实碰撞，历时两年多才能推出，而利用天河二号进行碰撞模拟和空气动力学模拟，只需3到5次真实碰撞，两个月即可完成。

目前，天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计等多个领域，开始为多家用户单位提供超级计算服务。

据了解，天河二号作为广州超级计算中心的主机，将在今年下半年安装交付并投入业务运行。随着天河二号的推广应用，我国超级计算机应用深度和广度将迅速扩大，持续发挥不可替代的巨大作用。

而天河二号夺冠之日，也是新一轮攻关启动之时。据了解，国防科大攻克更高性能超级计算机技术的攻关战斗已经打响，新一代“飞腾-2000”CPU项目已经全面展开。预计将在2015年研制出十亿亿次超级计算机，2020年前后研制出百亿亿次计算机。（本刊综合）