中國的超級項目—超級計算機 | |
工程總投資：—大于100億 工程期限：1975年—— 2011年10月27日，我國第一臺完全采用國產(chǎn)CPU處理器的千萬億次超級計算機——神威藍光，在國家超級計算濟南中心投入使用。該機裝有8704片國產(chǎn)“申威1600”16核64位處理器，僅9個機柜便能達到峰值性能1100萬億次每秒。計算能力超過20萬臺普通筆記本電腦。系統(tǒng)綜合水平處于當(dāng)今世界先進行列。該系統(tǒng)具備擴充至每秒萬萬億次潛力。 1997年5月1日，IBM公司生產(chǎn)的超級計算機“深藍”，因戰(zhàn)勝了國際象棋大師、世界棋王——卡斯帕羅夫而一舉成名。“深藍”就是我們所說的超級計算機，其采用256個內(nèi)核的RS／6000SP并行處理芯片，及一批科學(xué)家、象棋高手為它設(shè)計的專用軟件。這是計算機中體型龐大、功能最強、運算速度最快、存儲容量最大和價格最貴的一類計算機，通常用于國家高科技領(lǐng)域，是一個國家技術(shù)的象征。計算機廠商們也把超級計算機看作是自己企業(yè)絕對實力的象征。 處于信息技術(shù)前沿的超級計算機一直是一個國家的重要戰(zhàn)略資源，對國家安全、經(jīng)濟和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。在國防領(lǐng)域可用于模擬核試驗、飛行器設(shè)計、監(jiān)聽對方通訊系統(tǒng)、反導(dǎo)彈武器系統(tǒng)等。沒有強大計算能力的超級計算機，宇宙飛船就不能上天，國家安全就做不到萬無一失，基因研究就無法繼續(xù)，復(fù)雜的氣象、勘探工作就難以精確。正因為如此，長期以來，把握超級計算機領(lǐng)先技術(shù)的西方國家，對包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家實行了嚴(yán)格的管制，嚴(yán)禁出口相關(guān)的高端技術(shù)和產(chǎn)品，絕不容忍這些國家的計算能力達到國際水平。如美國政府以國家安全為由，禁止向中國出口每秒1900億次以上的超級計算機系統(tǒng)。 然而，2008年11月17日，TOP500.org組織公布第32次《全球超級計算機五百強》榜單，中國研制的曙光5000A百萬億次超級計算機再次殺入了前十位，前十名中的第1-9名全部來自美國，其中有7臺屬于美國能源部，IBM打造的Roadrunner(走鵑)蟬聯(lián)冠軍，聯(lián)想集團開發(fā)的深騰7000百萬億次超級計算機位居19位，日本則被擠出超級計算機前20名榜單。這是在主要由美國占絕對壟斷的全球超級計算機領(lǐng)域里，中國科學(xué)家取得的歷史性突破。 目前,中國已成為繼美國之后第二個可以制造和應(yīng)用千萬億次超級計算機的國家。在超級計算機領(lǐng)域，美國占絕對領(lǐng)先地位，中國、日本、歐盟、俄羅斯緊隨其后，其他國家居于第三梯隊。全球各國都在大力推進千萬億次計算機計劃.比如美國能源部、DARPA、美國國家科學(xué)基金、美國國家安全局、歐盟EU-FP7計劃、日本、法國以及我國的“十一五”計劃，2010年前,曙光將推出千萬億次的曙光6000超級計算機，并大規(guī)模采用國產(chǎn)龍芯處理器。
世界第一臺計算機 1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。這個龐然大物占地面積達170平方米,重達30噸。在揭幕儀式上,“埃尼阿克”為來賓表演了它的“絕招”———分別在1秒鐘內(nèi)進行了5000次加法運算和500次乘法運算,這比當(dāng)時最快的繼電器計算機的運算速度要快1000多倍。 二戰(zhàn)爆發(fā)后,美國陸軍軍械部為研制和開發(fā)新型大炮,在馬里蘭州的阿伯丁設(shè)立了“彈道研究實驗室”。極為繁重的計算任務(wù)令那里的研究人員大傷腦筋。盡管實驗室雇用了200多名計算快手,還是捉襟見肘。他們迫切需要一種新的計算機器,以提高工作效率。就在人們一籌莫展之時,賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電機學(xué)院的莫克利博士提出了試制第一臺電子計算機的設(shè)想。他的設(shè)想吸引了陸軍軍械部,他們立即要求莫爾學(xué)院擬定一份研制計劃。 按照科學(xué)家們的估計,制造一臺電子計算機所需的經(jīng)費為15萬美元,這在當(dāng)時是一筆巨款,因此遭到了軍方內(nèi)部很多人的堅決反對。眼看研制電子計算機的計劃就要夭折,美國著名數(shù)學(xué)家維伯倫博士堅定地站到了支持者的行列里,他最終說服了美國軍方。經(jīng)過兩年多的緊張研制,第一臺電子計算機終于在1946年2月14日問世。而它的開發(fā)經(jīng)費幾經(jīng)追加,最后達到48萬美元。 這臺名為“埃尼阿克”的電子計算機,如今看來簡直就是一個怪物。其內(nèi)部有成千上萬個電子管、二極管、電阻器等元件,電路的焊接點多達50萬個;在機器表面,則布滿電表、電線和指示燈。令人哭笑不得的是,它的耗電量超過174千瓦小時,據(jù)說在使用時全鎮(zhèn)的電燈都會變暗;而且它的電子管平均每隔15分鐘就要燒壞一只,科學(xué)家們不得不滿頭大汗地不停更換。然而,“埃尼阿克”的計算速度卻是手工計算的20萬倍、繼電器計算機的1000倍。美國軍方也從中嘗到了甜頭,因為它計算炮彈彈道只需要3秒鐘,而在此之前,則需要200人手工計算兩個月。除了常規(guī)的彈道計算外,它后來還涉及諸多的科研領(lǐng)域,曾在第一顆原子彈的研制過程中發(fā)揮了重要作用。1955年10月2日,“埃尼阿克”宣告“退役”后,被陳列在華盛頓的一家博物館里。 西蒙·克雷(Seymor Cray)博士與他研制的“克雷1號”億次超級計算機。Cray 1超級計算機，是1977年前世界上功能最強大的計算機。 超級計算機的前世今生 誰最早提出了超級計算機的概念？至今存在很大的爭議。有人說是最早開發(fā)集成電路的肖克利在自己的工作日記中透露了超級計算機的構(gòu)思，也有人說是當(dāng)時為軍方服務(wù)的LawrenceLivermore國家實驗室的想法。但從真正意義上來說，研發(fā)出符合超級計算機定義產(chǎn)品的人應(yīng)該是西蒙·克雷(Seymor Cray)博士，此人后來被西方稱為“超級計算機之父”。 西蒙·克雷1925年9月出生在美國威斯康星州的一個工程師世家。在參加陸軍做了幾年電工后，克雷到威斯康星大學(xué)和明尼蘇達大學(xué)繼續(xù)深造，獲電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位?？死紫群笤诠こ萄芯繉W(xué)會和雷明頓·蘭德公司從事計算機研究。在那里，他設(shè)計出他的第一臺計算機ERA1101。 1960年，剛成立三年的控制數(shù)據(jù)公司(CDC)接受美國原子能委員會的委托，涉足萬難之險的巨型機領(lǐng)域。當(dāng)時CDC公司的電腦總設(shè)計師就是年僅31歲的克雷，曾經(jīng)是UNIVAC設(shè)計小組的成員。他是一位性格內(nèi)向的“隱士”般人物，念念不忘的是建造心目中的巨型機，甚至想“隱退”回家去獨自研究。CDC慷慨地滿足了克雷的愿望，在距離總部80英里的密林深處為他建立了一個實驗室。
克雷帶領(lǐng)他的研究小組，遠遠避開“人世”。小組僅有34人，包括克雷本人在內(nèi)，也只有2位博士。1963年8月，克雷終于從“密林”深處復(fù)出，把一臺被他親切稱作“簡單的蠢東西” —— CDC6600超級計算機公布于世。CDC6600是真正意義上的超級計算機，共安裝了35萬個晶體管，運算速度為300萬次，是其他電腦的10倍。至1969年，克雷研制的CDC6600以及改進型CDC7600巨型機共售出150余臺。 與比爾·蓋茨這樣精明的計算機商人不同，克雷是一個典型的工程師。曾經(jīng)整整四個春秋，謝絕一切社交活動，埋頭繪制圖紙、制作零件。連著名的學(xué)術(shù)團體的頒獎，他也不愿拋頭露面，為此博得了“叢林隱士”的綽號?？死咨綐O少發(fā)表演說。 盡管克雷在上個世紀(jì)60年代成功開發(fā)了第一代超級計算機,但是真正將這個產(chǎn)品應(yīng)用起來的還是前面提到的LawrenceLivermore國家實驗室和另一位超級計算機設(shè)計者Frank McMahon，目的是為了克服當(dāng)時磁芯存儲器存在的延時問題。1971年前后Frank McMahon將這種想法成功地應(yīng)用于CDCSTAR超級計算機的處理器CDC7600上。 接著，70年代中后期,以向量超級計算為主的超級計算機開始陸續(xù)出現(xiàn)，如CDC Cyber205和克雷1號。值得一提的是1975年誕生的“克雷1號”，實現(xiàn)了當(dāng)時絕無僅有的超高速——可持續(xù)保持每秒1億次運算。然而，這臺超級計算機的體積卻并不巨大，就像一套開口的沙發(fā)圈椅，靠背處立著12個一人高的“大衣櫥”，占地不到7平方米，重量不超過5噸，共安裝了約35萬塊集成電路。 從技術(shù)角度來看，克雷1號更加流行。這種機器具有8MB內(nèi)存，但這種內(nèi)存是晶體管存儲器，而不是CDCSTAR-100使用的磁芯存儲器。它還引入了向量寄存器的概念。 在整個70年代和80年代初期，向量計算處理對提高計算機運算速度十分有利，有利于流水線的充分利用，有利于多功能部件的充分利用。但由于時鐘周期已接近物理極限，向量計算機的進一步發(fā)展已經(jīng)不太可能。所以，要繼續(xù)提高性能也就意味著必須投入多個CPU來同時為一個程序工作。在這樣的背景下，一個全新的概念被提出來了，那就是大規(guī)模并行處理(MPP)，也是從這個時候，英特爾、IBM和SGI開始成為超級計算機領(lǐng)域的新貴。超級計算機也開始走上了真正的商用化道路。 1992年，英特爾推出Paragon超級計算機，它成為歷史上第一臺突破萬億次浮點計算屏障的超級計算機。緊接著,IBM的SP2、日立公司的SR2201和SGI公司的Origin2000超級計算機都先后出現(xiàn)。值得一提的是Origin2000系列后來成為SGI公司制作電影CG的主力，很多大場面的電影都有它的功勞。 1996年12月，SGI公司研制出一臺具有256個處理器的超級計算機安裝在美國國家實驗室。這個系統(tǒng)的處理器還將增加為4096個，運算速度達到了30000億次。 進入2000年之后，超級計算機的競爭日漸激烈，日本和美國彼此成為最大的競爭對手。比如在2003年世界前十名的超級計算機名單中，日本的“地球模擬器”排在榜首，后面全是清一色的美國產(chǎn)超級計算機。而保持運算速度最快記錄的超級計算機則是日本NEC剛剛發(fā)布的SX-8,每秒運算速度高達65萬億次。 在廠商之間，IBM、英特爾、DELL、NEC和SGI的競爭一向激烈，近來又冒出了蘋果。這家公司的G5蘋果超級計算機已經(jīng)后來居上，超過英特爾居于超級計算機排行榜的第三位。在中國，聯(lián)想和曙光同樣開發(fā)了國產(chǎn)超級計算機，在全球500強超級計算機中能夠看到中國人的身影。
我國計算機研制工作起源于1956年制定的《全國12年科技規(guī)劃》。同年9月中科院籌建計算技術(shù)研究所。1957年秋季決定以蘇聯(lián)M-3型計算機資料為藍本，由中科院計算所與北京有限電廠合作研制計算機。1958年8月完成生產(chǎn)調(diào)試，該機由800根電子管、2000個氧化銅元件、10000個阻容元件組成，分裝400個插件，插入3個機柜。由于氧化銅元件性能不穩(wěn)定，后改用鍺二極管。全機于1959年3月開始試算。不久，計算所三室成功地為該機配置了磁芯存儲器，運算速度從以磁鼓作存儲器時的每秒30次提高到每秒1800次。1959年8月1日投入運行，可執(zhí)行短程序。738廠共生產(chǎn)了38臺，并改名為103型計算機（即DJS-1型），供各單位使用。 中國超級計算機歷史 世界上第一臺數(shù)字電子計算機誕生于1946年，中國電子計算機的科研、生產(chǎn)和應(yīng)用是從上世紀(jì)五十年代中后期開始的。1956年，周總理親自主持制定的《十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中，就把計算機列為發(fā)展科學(xué)技術(shù)的重點之一，并籌建了中國第一個計算技術(shù)研究所——中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所。1957年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功中國第一臺模擬式電子計算機。1958年8月1日，我國第一臺數(shù)字電子計算機——103機誕生。 以邏輯電路器件作為標(biāo)志，到目前為止的電子計算機可以分為四代。此外還有“第五代”即人工智能計算機和“第六代”即生物計算機的說法。每一代計算機，都比前一代更小、更快，技術(shù)工藝要求更高，價錢也更便宜。中國科學(xué)家研制從第一代到第四代計算機的工作，幾乎貫穿于整個毛澤東時代。 第一代計算機采用電子管。美國研制出第一代計算機用了4年（1943-1946，標(biāo)志：賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的ENIAC），而中國通過學(xué)習(xí)蘇聯(lián)的技術(shù)，僅用3年就完成了（1956-1958，中科院計算所的103機），并生產(chǎn)了38臺。 第二代計算機采用晶體管。美國從第一代計算機進入第二代計算機花了9年時間（1946-1954，標(biāo)志：貝爾實驗室的TRADIC），中國用了7年（1958-1964，標(biāo)志：哈爾濱軍事工程學(xué)院，即國防科技大學(xué)前身的441B機），生產(chǎn)了約200臺。 第三代計算機采用中、小規(guī)模集成電路。這段發(fā)展過程美國用了11年（1954-1964，標(biāo)志：IBM公司的IBM360），中國用了7年時間（1964-1970，標(biāo)志：中科院計算所的小規(guī)模集成電路通用數(shù)字電子計算機“111機”）。 1965年，中國自主研制的第一塊集成電路在上海誕生，僅比美國晚了5年。在此后的歲月里，盡管國外對我國進行技術(shù)封鎖，但這一領(lǐng)域的廣大科研工作者和工人階級，發(fā)揚自力更生和艱苦奮斗的精神，依靠自己的力量建起了中國早期的半導(dǎo)體工業(yè)，掌握了從拉單晶、設(shè)備制造，再到集成電路制造全過程，積累了大量的人才和豐富的知識，相繼研制并生產(chǎn)了DTL、TTL、 ECL等各種類型的中小規(guī)模雙極型數(shù)字邏輯電路，支持了國內(nèi)計算機行業(yè)。當(dāng)時具備這種能力的國家除中國外，只有美國、日本和蘇聯(lián)。 我國的超級計算機研制起步于60年代。到目前為止，大體經(jīng)歷了三個階段：第一階段，自60年代末到70年代末，主要從事大型機的并行處理技術(shù)研究；第二階段，自70年代末至80年代末，主要從事向量機及并行處理系統(tǒng)的研制；第三階段，自80年代末至今，主要從事MPP系統(tǒng)及工作站集群系統(tǒng)的研制。經(jīng)過幾十年不懈地努力, 我國的高端計算機系統(tǒng)研制已取得了豐碩成果，“銀河”、“曙光”、“神威”、“深騰”等一批國產(chǎn)高端計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，使我國成為繼美國、日本之后，第三個具備研制高端計算機系統(tǒng)能力的國家。 1958年5月我國開始了第一臺大型通用電子計算機-104機研制，以前蘇聯(lián)當(dāng)時正在研制的БЭСМ-II中型計算機為藍本，中科院計算所、四機部（15所）、七機部（706所）和總參56所的科研人員與北京有線電廠（738廠）密切配合，于1959年9月完成研制任務(wù)。104電子管計算機有22個機柜，主機、電機組機房各占地200平方米。全機共用4200個電子管，4000個鍺晶體二極管。字長40二進位，內(nèi)存使用直徑2mm的環(huán)形鐵淦氧磁心體，容量為4096字，機器時鐘頻率500KHz，運算速度每秒約一萬次浮點運算，運行功率為100千瓦。1958年10月完成部件生產(chǎn)，1959年4月完成調(diào)試。 104機共生產(chǎn)了7臺。為使計算機產(chǎn)業(yè)化，保證整機配套，60年代中期，全國建立了11家計算機主機和外部設(shè)備廠，職工人數(shù)1萬3千人。分布在北京、上海、天津、貴州、黑龍江、山東、江蘇等地。1970年之前，僅738廠就生產(chǎn)了18種類型的174臺晶體管計算機。 我國在研制第一代電子管計算機的同時，已開始研制第二代晶體管計算機。1958年7月，中科院應(yīng)用物理所王守武與林蘭英等人，研制出我國第一根硅單晶；并開始籌建我國第一個晶體管廠——中科院109廠，從事鍺高頻晶體管的批量生產(chǎn)。該廠為計算所研制109乙型晶體管計算機（浮點32二進制位、每秒6萬次），提供了12個品種、14.5萬多只鍺晶體管。 1964年3月，二機部（主管核工業(yè)）提出要在1967年底前，使用約20萬次的大型計算機。3月20日，中科院計算所在109乙型基礎(chǔ)上，開始研制109丙計算機。1967年4月，完成機器調(diào)試，開始進行試算，8月進行驗收鑒定。該機所需硅晶體管和鍺晶體管，由109廠和公安部遼河實驗工廠生產(chǎn)。109丙機是六十年代中期我國自行設(shè)計的比較成熟的大型計算機，字長48位，平均運算速度每秒11.5萬次。在國內(nèi)首次采用了自行研制的匯編語言和BCY算法語言，并建立了管理程序。該機共生產(chǎn)兩臺，為用戶運行了15年，有效算題時間10萬小時以上，在我國核武器研制工程中發(fā)揮了重要作用，被國防科工委譽為“功勛計算機”。 1983年12月22日，中國第一臺每秒鐘運算一億次以上的“銀河一號”巨型計算機，由國防科技大學(xué)計算機研究所在長沙研制成功，使我國成為能研制巨型機的少數(shù)幾個國家之一，該成果榮獲特等國防科技成果獎。 "銀河"系列超級計算機 在國防科技大學(xué)計算機學(xué)院寬敞明亮的機房里，矗立著一個紅黃兩色相間的大機柜。這就是我國自行設(shè)計和研制的第一臺每秒運算速度達億次的超級計算機——“銀河—I”。它的誕生，使我國成為繼美國、日本之后第三個能獨立設(shè)計和研制超級計算機的國家。 研制“銀河”超級計算機的難度不是一般人能想象的：當(dāng)時文革剛結(jié)束，國家百廢待興，我國氣象部門急需巨型機做中長期天氣預(yù)報，航空航天部門急需超級計算機以減少昂貴的風(fēng)洞實驗經(jīng)費，石油勘探部門急需超級計算機進行三維地震數(shù)據(jù)處理。有一個部門租用了外國一臺中型計算機，卻要由外方控制使用，算什么題目都要交給人家，中國人不得進入主控室。為了研制新一代導(dǎo)彈核武器，必須進行大量的數(shù)值計算和模擬來計算核武器的殺傷效能等等數(shù)據(jù)，顯然不能再靠手搖計算機+人海戰(zhàn)那么干了。 1975年10月和1977年秋，時任國防科工委主任的張愛萍上將先后兩次指示國防科技大學(xué)計算機研究所對巨型機研制進行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，國防科工委于1977年11月14日向黨中央和中央軍委呈交了“關(guān)于研制巨型機”的請示報告，黨中央和中央軍委11月26日就批準(zhǔn)了國防科工委的報告。1978年3月，中央軍委主席鄧小平同志專門聽取了關(guān)于計算機發(fā)展情況的匯報，明確由國防科工委系統(tǒng)承擔(dān)億次機研制任務(wù)，張愛萍將軍為該機命名“銀河”。 國防科大的前身是1953年創(chuàng)建于哈爾濱的中國人民解放軍軍事工程學(xué)院，1958年“哈軍工”研制出我國第一臺電子管計算機。由于歷史原因，1966年“哈軍工”退出軍隊序列，1970年學(xué)院主體南遷長沙，更名長沙工學(xué)院，直至1978年才變更為國防科技大學(xué)。面對小平同志的信任與重托，時任國防科大計算機研究所所長的慈云桂教授立下軍令狀。 1983年12月4日，是我國計算機技術(shù)發(fā)展史上永遠值得紀(jì)念的日子。這一天，我國自行研究與設(shè)計的第一臺億次巨型計算機提前一年研制成功，通過鑒定；它的誕生標(biāo)志著我國計算機技術(shù)水平踏上了一個新臺階。 1986年年初，國防科技大學(xué)計算機系申請研制“銀河Ⅱ”10億次巨型計算機，得到了國務(wù)院、中央軍委和當(dāng)時的國防科工委的批復(fù)，1992年11月國防科大成功研制出“銀河Ⅱ”10億次巨型機，實現(xiàn)了從向量巨型機到處理并行巨型機的跨越，成為繼美國、日本之后，第三個實現(xiàn)10億次超級計算機的國家。1994年，銀河Ⅱ超級計算機在國家氣象局投入正式運行，用于天氣中期預(yù)報。
1994年3月，在市場激烈的競爭中，“銀河-Ⅲ”正式立項。三年后，1997年6月19日，“銀河-III”百億次巨型計算機系統(tǒng)通過國家技術(shù)鑒定，它的研制者還是國防科技大學(xué)計算機研究所。從1億次到百億次，從多處理并行巨型機到大規(guī)模并行處理巨型機的跨越；標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了高性能巨型計算機的研制技術(shù)，而擁有這一技術(shù)的國家屈指可數(shù)。2000年由1024個CPU組成的“銀河-Ⅳ”超級計算機問世，峰值性能達到每秒1.0647萬億次浮點運算，其各項指標(biāo)均達到當(dāng)時國際先進水平，它使我國高端計算機系統(tǒng)的研制水平再上一個新臺階。 “銀河”系列超級計算機如今廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、空氣動力實驗、工程物理、石油勘探、地震數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。國家氣象中心將“銀河”超級計算機用于中期數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，使我國成為世界上少數(shù)幾個能發(fā)布５至７天中期數(shù)值天氣預(yù)報的國家之一。 2006年9月誕生的“神威Ⅰ”的峰值運算速度為每秒3840億浮點結(jié)果，在國家氣象局用于氣象數(shù)值計算。該機在世界已投入商業(yè)運行的前500臺高性能計算機中排名第48位，其主要技術(shù)指標(biāo)和性能達到國際先進水平。 "神威"系列超級計算機 1996年為加強我國高端并行計算機系統(tǒng)的研制，國家并行計算機工程技術(shù)中心正式掛牌成立，開始了神威系列大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)的研制。1999年神威系列機的第一代產(chǎn)品——神威Ⅰ型巨型機落戶北京國家氣象局，系統(tǒng)峰值為3840億次浮點運算，該機在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。于此同時，為順應(yīng)國際潮流他們還同步開展了神威“新世紀(jì)”集群系統(tǒng)的研制?，F(xiàn)已成功推出A、P兩個系列的“新世紀(jì)”集群系統(tǒng)，其中A系列采用Alpha21264處理器，P系列采用Intel Xeon處理器，兩款的最大規(guī)模均可擴至千余節(jié)點。目前該系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于石油、物探、生物、氣象和材料分析等各個領(lǐng)域。
上世紀(jì)80年代末90年代初，世界計算機領(lǐng)域悄悄地孕育著一場革命，傳統(tǒng)的向量機發(fā)展受到了限制，大規(guī)模并行機悄然問世。金怡濂教授敏銳地洞察到這一新的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)中國計算機跨越發(fā)展的一次重要機遇。與此同時，機遇也落到了他的身上，他擔(dān)任了國家重點工程———“神威”巨型計算機系統(tǒng)的總設(shè)計師。 金怡濂教授當(dāng)即提出了一個我國超大規(guī)模巨型計算機研制的全新的跨越式的方案。這一方案不僅當(dāng)時在國內(nèi)尚無先例，而且把巨型機的峰值運算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上，跨越了兩個數(shù)量級。在國家并行計算機工程技術(shù)研究中心召開的“神威”機研制方案論證會上，許多人對此方案表示驚訝、懷疑，甚至反對，提出繼續(xù)搞比較保險的傳統(tǒng)機型。金怡濂力排眾議：“不挑戰(zhàn)就會失去競爭的機會，不突破就沒有中國巨型機的崛起。”經(jīng)過他的精辟分析，與會專家最終通過了他提出的總體方案。實踐證明，這是一個具有戰(zhàn)略意義的跨越，闖出了一條中國巨型機趕超世界先進水平的發(fā)展道路。 氣象預(yù)報是超級計算機最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在神威Ⅰ型機上運行的“集合天氣預(yù)報系統(tǒng)”采用了32套原始數(shù)據(jù)，輸入計算機進行運算，然后得出32個結(jié)果，再運用氣象學(xué)的知識和統(tǒng)計的規(guī)律，在這個結(jié)果群里，找出可能性最大的未來天氣的情況。以往10天的天氣數(shù)值預(yù)報，在百億次機上運算大約需要640小時，等預(yù)報結(jié)果出來時，就已經(jīng)不是“預(yù)報”了。利用“神威”機進行運算，則只需要8小時。 “神威”機的另一項重要的應(yīng)用就是石油勘探。要開采石油，必須鉆井。打一口井耗資巨大，差不多要幾百萬甚至上千萬，如果選擇的鉆井地點有偏差，那么投入的人力、財力、物力就會全部浪費，損失巨大。因此提前的精確測算格外重要。 在認為可能的地方進行人工爆破，然后搜集爆破后的反應(yīng)，記錄它的反射弧，把這些數(shù)據(jù)送到計算機上進行處理，地質(zhì)專家再根據(jù)得出的結(jié)論分析石油的分布。應(yīng)用“神威”機后，可以明顯提高分析面積和準(zhǔn)確程度。 “神威”機在石油領(lǐng)域的另一個重要應(yīng)用是“油藏模擬系統(tǒng)”。類似大慶那樣的老油田，油采出來還要注水平以衡壓力。現(xiàn)在地下還剩下多少油，也是需要大量的計算。用普通的工作站，可能要算一個月才有結(jié)果，而為了提高準(zhǔn)確度，一套程序要算好幾遍。一次就要一個月，顯然達不到要求。用了神威機之后，由一個月變成了一個星期，現(xiàn)在變成了幾個小時。 "深騰"系列超級計算機 90年代末以生產(chǎn)個人電腦和服務(wù)器著稱的聯(lián)想集團，也加入了研制高端計算機系統(tǒng)的行列，且一鳴驚人。2002年由該集團研制的運算速度超過每秒萬億次浮點運算的“深騰1800”高端計算機系統(tǒng)在北京中關(guān)村誕生。它是我國第一臺由企業(yè)研制開發(fā)的萬億次級計算機產(chǎn)品，標(biāo)志著國內(nèi)大型IT企業(yè)開始進入高性能計算領(lǐng)域的研究開發(fā)。在當(dāng)年11月公布的全球高性能計算機TOP500排行榜中，“深騰1800”以每秒1.046萬億次浮點運算的實測性能排在第43位，這也是我國企業(yè)生產(chǎn)的高端計算機系統(tǒng)首次入圍TOP500。此外，該集團還于1999年和2000年分別推出NS10000及NS20000高性能服務(wù)器集群系統(tǒng)，同期從事高性能集群系統(tǒng)研究的還有清華大學(xué)和上海大學(xué)等單位。1999年由清華大學(xué)研制的“探索108”大型群集計算機系統(tǒng)及高效能網(wǎng)絡(luò)并行超級計算機THNPSC-1問世，其最高浮點計算速度達到每秒300億次；2000年由上海大學(xué)研制的集群式高性能計算機系統(tǒng)——自強2000-SUHPCS在上海誕生，其峰值速度為每秒3千億次浮點運算。 中國超級計算機譜系表 國防科技大學(xué)計算機研究所——“銀河”系列 銀河-Ⅰ 1983年 運算速度每秒 1 億次 銀河-Ⅱ 1994年 運算速度每秒 10 億次 銀河-Ⅲ 1997年 運算速度每秒 130 億次 銀河-Ⅳ 2000年 運算速度每秒 1萬 億次 天河一號 2010年 運算速度每秒 2507萬億次（2010年世界超級計算機排名世界第一） 中科院計算技術(shù)研究所——“曙光”系列 曙光一號 1992年 運算速度每秒 6.4 億次 曙光-1000 1995年 運算速度每秒 25 億次 曙光-1000A 1996年 運算速度每秒 40 億次 曙光-2000Ⅰ 1998年 運算速度每秒 200 億次 曙光-2000Ⅱ 1999年 運算速度每秒 1117 億次 曙光-3000 2000年 運算速度每秒 4032 億次 曙光-4000L 2003年 運算速度每秒 4.2 萬億次 曙光-4000A 2004年 運算速度每秒 11 萬億次 曙光-5000A 2008年 運算速度每秒 230 萬億次 曙光-星云 2010年 運算速度每秒 1271 萬億次（世界第三臺達到千萬億次的超級計算機）
國家并行計算機工程技術(shù)中心——“神威”系列 神威-Ⅰ 1999年 運算速度每秒 3840 億次 神威3000A 2007年 運算速度每秒 18 萬億次 神威藍光 2010年 運算速度每秒 1100 萬億次 （我國第一臺全部采用國產(chǎn)CPU的超級計算機） 聯(lián)想集團——“深騰”系列 深騰1800 2002年 運算速度每秒 1 萬億次 深騰6800 2003年 運算速度每秒 5.3 萬億次 深騰7000 2008年 運算速度每秒 106.5萬億次 深騰X 在研 運算速度每秒 1000 萬億次
曙光5000百萬億次超級計算機，該系統(tǒng)位居最新公布的全球高性能計算機排名（TOP500）第10位。前9名均為美國研制。目前普通家用電腦的運算速度為每秒20億次左右，曙光5000百萬億次超級計算機的運算能力相當(dāng)于10萬臺個人電腦，共有6000顆CPU與100T海量內(nèi)存，擁有30720個處理器內(nèi)核，其理論浮點峰值為每秒260萬億次，采用20GB，延遲小于1.3us的Infiniband高速網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，采用了WCCS + SuSe Linux 雙操作系統(tǒng)。其每天耗電超過1萬度，售價約2億元。
聯(lián)想“深騰7000”百萬億次超級計算機，該系統(tǒng)位居最新公布的全球高性能計算機排名（TOP500）第19位，售價超過1億元人民幣。聯(lián)想“深騰7000”是世界上規(guī)模最大的一個結(jié)點無盤啟動的機群系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了基于1428個無盤結(jié)點的機群系統(tǒng)。同時，它也是世界上第一個實現(xiàn)了對所有硬件部件統(tǒng)一管理和監(jiān)控功能的機群系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機群系統(tǒng)內(nèi)數(shù)千個計算、互連、存儲等硬件部件的統(tǒng)一管理和監(jiān)控。 1951年的存儲坦克（memory tank），存儲容量20000 bytes。這是史前時代的存儲器，容量相當(dāng)于20K。在計算機誕生初期并不存在內(nèi)存條的概念，最早的內(nèi)存是以磁芯的形式排列在線路上，每個磁芯與晶體管理組成的一個雙穩(wěn)態(tài)電路作為一比特（bit)的存儲器,每一比特都要有玉米粒大小，可以想象,一間的機房只能裝下不超過百k字節(jié)左右的容量。后來才出線現(xiàn)了焊接在主板上集成內(nèi)存芯片，以內(nèi)存芯片的形式為計算機的運算提供直接支持?，F(xiàn)在我們使用的內(nèi)存條，單根容量都在1G以上，是這個家伙的50000倍。 這是計算機博物館中重達27公斤，只能夠存儲5MB容量的硬盤。而現(xiàn)在我們家用電腦使用的硬盤容量，已經(jīng)達到了1TG，是它的20萬倍。這種史前時代的老古董，確實很神奇。人類科技就是在這種匪夷所思的變化中不斷前進。 1964年，美國CDC公司推出了業(yè)界第一臺真正的超級計算機 CDC 6600。其具備了RISC（精簡指令集）的一些基本特征。它的運算速度，當(dāng)時可達到每秒300萬次。而現(xiàn)在家用電腦的運算速度，已經(jīng)超過了每秒50億次。 IBM 1965年推出的System 360大型主機，被美國航天局用于首次載人登月任務(wù)。
1978年，美國DEC公司推出第一款32位超級計算機 DEC VAX，有高達1MIPS的運算性能，售價200000美元. 1997年的國際象棋人機大戰(zhàn)，讓戰(zhàn)勝世界棋王卡斯帕羅夫（左）的深藍超級計算機一舉成名。深藍超級計算機的運算能力為每秒2億次，而現(xiàn)在普通家庭電腦的運算能力超過每秒50億次，是其25倍。 1999年，美國克雷(Cray)公司用于天氣分析和仿真的超級電腦 Y-MP，每秒運算達20-40億次. 日本NEC地球模擬器，基于NEC SX架構(gòu)，640個節(jié)點，每個節(jié)點有8個矢量處理器(每個處理器的峰值速度為每秒8 Gflop，周期為2ns，16G共享內(nèi)存，總共5140個處理器，峰值速度為每秒40萬億次，10TB內(nèi)存，700TB硬盤空間，16PB海量儲存，占地面積=4個網(wǎng)球場，3層樓。曾經(jīng)是世界最快的超級計算機，現(xiàn)在已經(jīng)落伍。 世界第九,歐洲最大超級計算機MareNostrum，它位于西班牙加泰羅尼亞市加泰羅尼亞科技大學(xué)（UPC）園區(qū)，巴塞羅那超級計算中心（BSC）。它擁有10240顆IBM Power PC 970MB處理器，峰值計算速度能夠達到94.21萬億次浮點計算。組成MareNostrum的2560臺JS21刀片式計算結(jié)點占據(jù)了大約半個籃球場（120平米）的面積，由美國IBM公司負責(zé)建造。 美國IBM公司為德國尤里希研究中心(FZJ)打造歐洲首臺千萬億次超級計算機，該系統(tǒng)擁有72個機柜，內(nèi)置294912顆IBM PowerPC 450 850MHz處理器(四路SMP)、144TB內(nèi)存和6PB硬盤，網(wǎng)絡(luò)延遲160ns，帶寬5.1GB s，總功耗2200KW。
IBM為美國能源部打造的Roadrunner超級計算機，位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室（美國核武器研發(fā)機構(gòu)），主要目的是軍用。此電腦以新墨西哥州州鳥走鵑（學(xué)名：Geococcyx californianus）命名，每秒計算能力超過了一千萬億次，達到了1.026PetaFlops，是目前最強的IBM BlueGene/L（藍色基因）的兩倍還多，它一天能處理的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于全球60億人46年不眠不休地運算才能算得完。Roadrunner一共擁有116640顆計算核心，由三種不同的處理器組成，包括12960顆改進版的IBM Cell，以及7000顆AMD Opteron處理器；Cell處理器是Sony PS3上的主要處理器。操作系統(tǒng)使用Red Hat Enterprise Linux 。Roadrunner超級計算機的布線總長達到了91公里，功率為3.9兆瓦，占地約6000平方英尺，機房有四分之三個足球場那么長，總重超過225噸，造價1.33億美元。
在美國研發(fā)核武器的“三巨頭”中，“龍頭老大”——洛斯·阿拉莫斯實驗室成立最早，實力最強，這里曾研制出世界首枚原子彈。美國“核彈之父”奧本海默曾擔(dān)任該實驗室主任。勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室則是美國第二個專門研發(fā)核武器的國家實驗室，主要負責(zé)研發(fā)核儲存技術(shù)，其擁有的大型核材料倉庫是全美7處核材料儲藏地中最重要的一個。此外，該實驗室還有全球聞名的“雷鳴”超級計算機。它的運算能力在全球所有超級計算機中排名第二，能夠進行核爆炸的計算機模擬，美國許多核爆模擬試驗就是在這臺計算機上完成的。桑迪亞國家實驗室主要從事核武器系統(tǒng)中非核部分的研發(fā)，新型核武器研制中的強粒子束熱核聚變也由該實驗室負責(zé)。 冷戰(zhàn)時期，“三巨頭”下轄10個生產(chǎn)基地和1個核實驗場，先后研發(fā)、生產(chǎn)了超過3萬件核武器和與之相匹配的運載與投放系統(tǒng)，這些核武器足以毀滅地球上百次。 在1996年各核大國簽署禁止核武器試驗條約之后，各國逐步轉(zhuǎn)向用超級計算機和以往的核爆試驗數(shù)據(jù)來模擬核試驗，用來研制新型的第四代核武器，所以世界上最快的超級計算機多數(shù)為軍用，我國也不例外。 在2008年11月評選的超級計算機500強榜單中： 德國最快的超級計算機是美國IBM的“藍色基因”，理論峰值速度223萬億次每秒。用于FZJ研究中心，排名11位。 印度最快的超級計算機是美國惠普的EKA3000BL460C，理論峰值速度172萬億次每秒，用于塔塔公司，排名13位。 法國最快的超級計算機是美國SGI的ALTIX ICE 8200EX,理論峰值速度146萬億次每秒，用于GENCI-CINES,排名14位。 英國最快的超級計算機是美國IBM的POWER 575,理論峰值速度126萬億次每秒，用于ECMWF,排名21位。 日本最快的超級計算機是由美國Cray（日本）公司為日本筑波大學(xué)、東京大學(xué)和京都大學(xué)制造的T2K開放式超級計算機系統(tǒng)，采用的是3808顆美國AMD四核皓龍™處理器，峰值速度113萬億次每秒，排名世界超級計算機500強的27位。日本NEC的地球模擬器已經(jīng)落到了73位，峰值速度才41萬億次每秒，是聯(lián)想深騰7000的四分之一。 俄羅斯最快的超級計算機是美國惠普的MVS-100K,理論峰值速度95萬億次每秒，用于聯(lián)合超級計算中心,排名35位。
世界各大國里面只有美國、中國是自己制造的百萬億次超級計算機，由于美國嚴(yán)格的高技術(shù)禁運政策，如果不是我們自己能研制出來，那么我國現(xiàn)在最快的超級計算機，也就是從IBM買來的25萬億次每秒的淘汰產(chǎn)品。 2009年6月15日，國內(nèi)首臺百萬億次超級計算機 “魔方”，在上海正式啟用。 2009年10月29日，中國第一臺千萬億次超級計算機——天河一號，在湖南長沙亮相。“天河一號”由140個機柜組成，每個機柜1.45米寬、1.2米深、2米高，排成13排，這個方陣占地約700平方米，總重量約160噸。2010年11月16日，在國際超級計算機TOP500組織正式發(fā)布第36屆世界超級計算機500強排行榜上，中國研制的“天河一號”超級計算機，以峰值速度4700萬億次、持續(xù)速度2566萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能，位居世界第一。比排名第二的美國“美洲虎”超級計算機快了1000萬億次。 天河一號千萬億次超級計算機，運算1小時的工作量，相當(dāng)于全國13億人同時計算340年；運算1天，相當(dāng)于1臺雙核的高檔桌面電腦運算620年；總的存儲容量能夠容納1千萬億個漢字，相當(dāng)于1個存儲10億冊100萬字書籍的巨大圖書館。目前，“天河一號”已在石油勘探、高端裝備研制、生物醫(yī)藥、動漫設(shè)計工程設(shè)計與仿真分析、氣象預(yù)報、遙感數(shù)據(jù)處理等方面獲得成功應(yīng)用。這臺巨型計算機，每小時耗電4040度，日耗電近10萬度，這在世界超級計算機家族中，已經(jīng)算是比較節(jié)能的“綠色電老虎”了。 天河一號千萬億次超級計算機中，安裝有2048顆國防科技大學(xué)研制的飛騰1000（FT-1000）流處理器芯片。飛騰1000（FT-1000）為64位8核處理器，采用GPGPU架構(gòu)，65納米工藝，3.5億個晶體管，主頻達到1GHz，可實現(xiàn)64線程并行運算。 “星云”千萬億次超級計算機位于深圳國家超級計算機中心，由曙光公司的曙光TC3600刀片系統(tǒng)集群組成，最大浮點性能為1271萬億次每秒，是世界第三臺實現(xiàn)雙精度浮點計算超千萬億次的超級計算機。2010年5月，在德國漢堡舉行的2010年國際超級計算大會上，TOP500.org組織公布了第35屆全球超級計算機五百強排行榜，中國曙光公司研制的“星云”千萬億次超級計算機，排名世界第二。當(dāng)時世界最快的超級計算機，是位于美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的“Cray Jaguar”，主要用于模擬核試驗，去年11月它的峰值速度是每秒1750萬億次。在上榜計算機總數(shù)上，中國此次共有24套超級計算機上榜，與德國持平，位列美國(282)、英國(38)、法國(29)之后，另外中國香港也有一套系統(tǒng)入圍，中國臺灣則已從榜上消失。 2007年，聯(lián)想集團成為英國AT&T威廉姆斯車隊頂級贊助商，提供聯(lián)想深騰1800超級計算機，用于車隊的空氣動力學(xué)風(fēng)洞模擬試驗以及碰撞仿真和CAD/CAM等研究領(lǐng)域。這臺超級計算機采用機群架構(gòu)，擁有166臺服務(wù)器、652個計算核心，以每秒八萬億次的峰值浮點運算能力，將車隊原有計算解決方案的運算能力提高了4倍，使車隊風(fēng)洞模擬過程的速度提高約75%。 神威藍光千萬億次超級計算機采用的申威1600型16核64位CPU處理器，是由無錫江南計算技術(shù)研究所研制的第三代處理器，2010年8月完成，采用Alpha RISC架構(gòu)，主頻1.1G，功耗35-70瓦，65納米代工工藝，峰值運算速度達每秒1408億次。運算速度高于日本富士通研制的SPARC64 VIIIfx處理器，和美國英特爾酷睿i7 980XE。 | |
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