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E级超算:超算界下一顶皇冠

发布时间:2020年01月22日    来源:北京日报                          字体:                          

  在美国《科学》杂志日前展望的2020年可能成为头条的十大科学新闻中,关于中国有望建造出世界第一台E级超算格外引人注目。E级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机,被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”,其发展水平已成为衡量一国科技创新实力的重要标志。

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  超级计算机的发展历程

  超级计算机是能够进行大规模超算运算的计算机集群系统,通常用浮点运算速度来衡量其性能。1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台巨型计算机,其运算速度为每秒一百万次。它是由西方称为“巨型机之父”的西蒙·克雷博士研制成功。

  从这以后,巨型机经过了五代发展,分别是单片机系统、向量处理系统、大规模并行处理(MPP)体系、共享内存结构和机群系统(CLUSTER)。

  第一代的超级计算机是早期的单处理器系统,比如CDC7600、IBM360等。第二代是向量处理系统,上世纪70年代初,世界上最早的向量机STAR-100研制成功;1974年,世界上最早的SIMD阵列计算机诞生;1976年,CRAY公司推出CRAY-1向量机,开始了向量机的蓬勃发展。与此同时,第三代的大规模并行处理机开始了蓬勃发展。上世纪90年代初期,第四代共享内存处理系统兴起,代表机型主要有中国的银河三号、神威一号等。第五代是机群系统,目前新建的超级计算机大都使用机群式结构,如国外的“雷鸣”“闪电”和国内的曙光4000系列等。

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  中国超算快速崛起

  中国第一台亿次巨型计算机是1978年开始研制的“银河-Ⅰ”,其运算速度能达到每秒1亿次以上。它的研制成功使中国成为继美国、日本之后第三个具备巨型机研制能力的国家。1992年11月,“银河-Ⅱ”十亿次通用并行巨型机研制成功,随后“银河-Ⅲ”等系列巨型机相继研制成功。2009年10月,中国首台千万亿次超级计算机问世,并登上世界超算巅峰。这标志着中国高性能计算机研制技术进入世界领先行列。2013年起,“天河二号”豪取世界超算500强六连冠。2016年,中国研制的“神威·太湖之光”,凭借每秒12.5亿亿次峰值计算速度,成为世界上第一台运算速度超过十亿亿次的超级计算机。

  2015年美国开始对中国施行超算芯片禁售,从产业链条和技术层面进行遏制。中国以创新为突破,完成了超算自主可控生态体系的初步建设。“天河一号”“天河二号”小规模试用了自主研制的飞腾CPU;“神威·太湖之光”安装了40960个中国自主研发的“申威26010”众核处理器,实现自主可控。另外,中国超级计算机在应用方面发展良好,高端应用连续两次获得国际高性能计算机的最高奖——戈登贝尔奖。

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  超算速度不断刷新

  随着技术的发展,超级计算机的运算速度不断被刷新。

  1996年12月,ASCI RED运算速度超过了万亿次/秒;2010年以前,美国IBM“蓝色基因”超级计算机连续五年雄踞世界第一,峰值速度达到367万亿次/秒;2010年11月,中国“天河一号”首次成为世界上最快的超级计算机,实测运算速度可以达到每秒2570万亿次;2011年,日本K-computer第一次突破每秒一亿亿次,超越了“天河一号”成为当时全球最快的超级计算机;2013年中国的“天河二号”以每秒5.49亿亿次的峰值计算速度,成为“全球最快”;2016年,中国研制的“神威·太湖之光”,峰值计算速度达到每秒12.5亿亿次,性能更加稳定,成为世界上第一台运算速度超过十亿亿次的超级计算机;2018年美国IBM“顶点”超级计算机完成超越,峰值计算速度达到每秒18.77亿亿次,据测算结果显示,“顶点”一秒钟的计算量就顶全人类15年的总计算量。可见,美、日、中三国的超级计算机研制同处于世界领先水平,并形成了交替领先的格局。

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  E级超算全球“抢位”

  E级超算已经成为世界各国在超算领域追逐的新目标。美国首台E级超算的交付时间预计在2021年左右;日本作为最早明确E级计算发展路线的国家,其目标是2020年研制成功第一台E级计算机;欧盟首台E级超算预计于2022年到2023年交付。中国的E级超算已超前布局,神威E级原型机、“天河三号”E级原型机和曙光E级原型机三个不同技术路线的原型机系统已全部完成交付。据美国《科学》杂志预测,中国有望在2020年建造出世界第一台E级超算。

  延伸阅读

  E级超算能“算天”“算地”“算人”

  世界各国之所以对E级超算如此关注,主要因为超算对国民经济发展和国防建设都有着重要价值,在很多领域都有重要应用。

  海洋

  海洋领域对E级超算有着巨大的应用需求。全球历代最快超算都率先用于以海洋为核心的地球科学。海洋大气、海洋动力环境、海底资源、海洋生物资源等领域的科学研究,都需要E级超级计算机为支撑。依靠E级超算的超级计算能力,能够分析如浪潮流、涡旋等海洋现象的影响因素,可以预测如厄尔尼诺等气候现象。E级超算对保障海洋国防安全、海洋经济和生态安全均具有重要的战略意义。

  2018年,中国青岛海洋科学与技术国家实验室已经启动了“PEZY”计划,在超算的支撑下,通过大量的海洋观测网和数字模拟分析、数据处理,开展“透明海洋”计划研究。

  天气预报

  超级计算机可用于模拟全球气候变化,让天气预报更精准,时间更提前。超级计算机可以基于大气的实际情况,在一定条件下计算求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组,预测未来一定时段内的大气运动状态和天气现象。

  现在中国的天气预报正是因为应用了超级计算机,国内天气预报可以精确到5公里,而省内可以精确至3公里,准确率能达到80%以上。

  能源

  能源领域是超算应用的主要领域之一,特别在石油勘探方面,超算被称为“找油”利器。通过超级计算,就像给地球做CT,找油又快又准,极大地节约了石油勘探成本。2017年4月,英国石油公司应用超算技术在地震成像方面取得突破,在墨西哥湾深水区的Atlantis油田确定了超过2亿桶的额外资源。

  生命科学

  在生命科学领域,基因测序、蛋白质和DNA大分子的结构预测、计算机辅助药物设计等都伴随着巨大的数据处理量和并行计算量,因此需要借助超级计算机来解决。据报道,完成500人规模的全基因组信息关联性分析,利用原有计算机需1年,利用“天河二号”只需3个小时就可完成。相信随着E级超级计算机的问世,超算将有助于人类实现重大疾病攻克、新药研制等。

  航空航天

  随着超级计算机的发展,超算在航空航天领域得到广泛应用,从飞机设计到飞机制造,从工程仿真到智能控制,都可以看到超级计算的身影。借助超级计算机完成飞机研制,不仅可以极大地缩短研制时间,也可以降低成本。据报道,研制一架大飞机,过去需耗费2年时间做全机风动试验,利用超级计算机模拟仿真,6天就能完成。

  城市规划

  在城市规划领域,超级计算技术以其强大的并行计算能力,可以为实时动态建筑模拟、建筑渲染、交通仿真模型等提供技术支撑,实现城市规划“智能化”和“科学化”。

  工业仿真

  在工业仿真领域,超级计算技术的应用越来越广泛。利用超级计算机强大的计算能力,工程师们可以在几分钟或几小时内完成数千种设计方案的仿真和测试,而且还可以远程查看设计效果和修改设计方案,从而有效缩短设计周期,降低研发成本。特别是在汽车研发中,许多主流汽车厂商的整车研发过程大都通过超算仿真设计来完成。

  综上可见,E级超算不仅有助于科学研究突破难点,而且还将改变各行各业,为人类创造更美好的生活。

  (作者为贵州省科学技术情报研究所副研究馆员)

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