天河一号，全球超算“一哥”
科研人员在对“天河一号”超级计算机进行系统性能测试。资料照片
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“中国速度”再次震惊世界：11月14日，世界权威的国际TOP500组织在其网站上公布了全球超级计算机500强最新排行榜，中国自主研制的“天河一号”二期系统（TH—1A）跃居榜首，成为世界运算速度最快的超级计算机。
“天河一号”的运算速度有多快？它是干什么用的？“中国速度”全球第一能保持多久？本文为你一探究竟。
11月16日，在位于天津滨海新区的国家超级计算天津中心二楼，记者见到了全球冠军“天河一号”：140个看上去像黑色冰箱的机柜，在700平方米的机房内整整齐齐排成13排。
“超级计算机被誉为计算机中的珠穆朗玛峰，代表了一个国家计算机设计、制造和应用的最高水平。”“天河一号”工程办主任李楠研究员告诉记者，TOP500排名榜目前由德国曼海姆大学、美国田纳西大学、美国能源研究科学计算中心（NERSC）、劳伦斯伯克利国家实验室联合举办，已成为衡量各国超级计算水平最重要的参考依据。
在这次TOP500榜单中，中国在前十中占有2席，仅次于美国；在前500强中，我们占了41席，总体占有率8.2％，位居第二。而在2009年11月的TOP500排名中，我国还只有21台，总体占有率4.2％，位列第五。“这说明，我国的超级计算机研制水平在以较快的速度，整体赶超。”李楠兴奋地说。
特点
速度全球第一，能效世界领先
“天河一号”的速度有多快？
李楠告诉记者，“天河一号”的峰值运算速度为每秒4700万亿次。“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上；“天河一号”运算1天，相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年以上。
“天河一号”的存储容量也大得惊人：其存储容量为2PB，也就是2千万亿个字节。1个汉字平均为2个字节，“天河一号”即可在线存储1千万亿个汉字，相当于存储100万字的书籍10亿册。
“‘天河一号’还是同行中的绿色先锋。”李楠介绍说，总功耗和能效值也是当前衡量超级计算机是否先进的重要指标，前者是指超级计算机满负荷工作时的最大功耗值，后者是指“每瓦特可实现‘每秒多少百万次双精度浮点运算’”（MFlops/W），这是衡量超级计算机是否绿色、低碳的指标。
据他介绍，“天河一号”满负荷运行的总功耗是4.04兆瓦，每小时耗电4040度，24小时满负荷工作耗电接近10万度。“这个数字听上去很惊人，但其实，‘天河一号’是一台节能的绿色超级计算机。”李楠说，经过测算，它的能效值为635.15MFlops/W，也就是每瓦特可实现每秒635.15百万次浮点运算。这个能效值，目前仅低于能效排名世界第一的“IBM蓝色基因”。
“此外，‘天河一号’还具有高安全性的特点。”“天河一号”主任设计师卢宇彤研究员介绍，其所采用的国防科技大学自主研制的麒麟操作系统，是国内唯一通过了国家公安部B2级（最高等级）认证的操作系统。“用户使用麒麟操作系统，可定制自己的私密工作空间，就像租用了银行的保险箱一样，钥匙和密钥都在用户手上，其它用户甚至系统管理员都不能访问。而且，麒麟操作系统的有关内核和接口是我们自行定义和自行研制的，黑客很难理解和掌握。”卢宇彤笑着说。
应用
破解计算问题，助推战略产业
“超级计算机是需求牵引的产物。”李楠说，经济、科技、国防等领域存在一系列复杂、大型的问题需要求解，科学家经过长期努力，为这些问题建立了越来越精细的物理模型，通过相应的计算方法，可以在计算机上求解。这些计算问题中，最复杂、最大型的一类，被称之为“挑战性计算问题”，必须依赖运算速度极快的大容量大型计算机，才能在有效的时间内完成。
据李楠介绍，超级计算机能够有力推动国家科技创新能力的提升。理论研究、实验和计算，是科学研究常用的三种手段，超级计算机可以帮助科学家更好地理解自然世界、发现科学规律，从而推动科技进步。例如，2007年诺贝尔物理学奖获得者彼得·格林贝格尔，就是德国尤利西研究中心的科学家。他借助该中心装备的超级计算机，发现了“巨磁电阻”效应，使得小型大容量硬盘成为可能。
其次，超级计算机能够有力推动经济和社会的发展。除了新能源、新材料、生物医药、节能环保等战略性新兴产业，天气预报、气候预测、地震监测等社会保障事业，对超级计算的依赖性也越来越强。
国家超算天津中心副主任朱小谦研究员告诉记者，目前“天河一号”已成功应用于石油勘探、高端装备研制、生物医药、动漫设计、新能源、新材料、工程设计与仿真分析、气象预报等领域，先后为20多个单位提供了高性能计算服务。其中，中国科学院软件研究所已用“天河一号”进行了全球大气浅水波全隐式数值模拟和地球外核热流动数值模拟两大科学难题研究。他们的评价是：“天河一号”稳定可靠、使用界面友好，尤其是自主开发的网络系统带宽高、延迟低，与“IBM蓝色基因”等相比毫不逊色。
前景
获历史性突破，整体差距犹在
“我国的高端信息技术和产业还处在发展过程中，‘天河一号’此次夺魁，是历史性的突破，实属不易。”李楠说，它在国际上首创了CPU和GPU相融合的高效并行计算体系结构，突破了具有世界领先水平的高速互连通信技术。这再次证明，只要我们找准突破口，坚持自主创新，就能够研制出具有世界领先水平的产品，变“中国制造”为“中国创造”。
“当然，我们对取得的成绩要有一个理性的判断，不能沾沾自喜。”“天河一号”副总设计师胡庆丰研究员说，从历史上的TOP500排名来看，美、英、法、德、日是超级计算机研发和应用的传统强国，其中美国凭借其长期的技术积累，具有绝对优势地位。“在这次排名中，美国占了274席，仍然具有绝对优势”。
他指出，与发达国家尤其是美国相比，我国在核心电子器件、高端通用芯片和基础软件，以及大型行业应用软件等方面存在明显差距，不同程度地依赖国外进口。就拿“天河一号”来说，还只是部分采用了我们自主研制的飞腾—1000中央处理器。
胡庆丰说：“‘天河一号’的应用推广工作还刚刚起步，应用的深度和广度还远远不够。在充分发挥系统并行计算能力、优化系统应用效率等方面，还面临很多挑战，赶超世界先进水平还有很长的路要走。”
“天河一号”世界第一的位置能维持多久？李楠说，相互超越很可能会成为今后世界超算强国竞争的常态。他举例说，2002年日本以“地球模拟器”超越美国，居TOP500榜首，但美国在2004年即再次超越，夺回霸主地位。据《纽约时报》报道，目前美国已计划制造更快的超级计算机。此外，日本也正在研制万万亿次超级计算机K系统。
“国家已经启动了‘核高基’等国家重大专项的重点攻关，国防科技大学是积极的参与者和核心研制队伍之一。”李楠说，“我们有能力也有信心，与国内同行一起拼搏，不断缩小与发达国家的差距，尽快赶上并超过他们。”
【延伸阅读】
“天河一号”研制过程
“天河一号”是在国家863计划重大项目“千万亿次高效能计算机系统”和天津市滨海新区的支持下，由国防科学技术大学研制。研制工作从2005年起步，按两期工程实施。一期系统于2009年9月研制成功，峰值速度为每秒1206万亿次双精度浮点运算（TFlops），持续速度为563.1TFlops（LINPACK实测值），是我国首台千万亿次超级计算机系统，参加2009年11月世界超级计算机TOP 500排名，位列亚洲第一、世界第五。二期系统于2010年8月在国家超级计算天津中心升级完成，实现了从亚洲第一向世界第一的重大跨越，取得了我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领先行列的历史性突破。
2010年11月全球超级计算机前十位（运算速度为持续速度）
1 中国天河一号（TH—1A），每秒2566万亿次
2 美国Cray Jaguar， 每秒1759万亿次
3 中国曙光星云，每秒1271万亿次
4 日本NEC/HP TSUBAME，每秒1192万亿次
5 美国Cray Hopper，每秒1054万亿次
6 法国BULL Tera—100，每秒1050万亿次
7 美国IBM Roadrunner，每秒1042万亿次
8 美国Cray KrakenXT5，每秒831.7万亿次
9 美国IBM JUGENE，每秒825.5万亿次
10 美国Cray CieloXE6，每秒816.6万亿次
超级计算机
是指“当前时代运算速度最快的大容量大型计算机”。超级计算机的界定具有显著的时代特征，与当时的计算机技术和应用的发展水平紧密相关。以峰值速度指标为例，2000年前后，每秒万亿、十万亿次双精度浮点运算是超级计算机的标志，而在2009年前后，百万亿次以上已成为超级计算机的新标志。当前，千万亿次已成为超级计算机的新高峰。
超级计算中心
目前世界上具有千万亿次计算能力的超级计算中心和国家级实验室共有6家，其中美国3家（橡树岭国家实验室、美国能源研究科学计算中心、洛斯阿拉莫斯国家实验室）、中国1家（国家超级计算天津中心）、日本1家（东京技术研究所）、法国1家（法国原子能委员会）、德国1家（欧盟尤利西研究中心）。
