中国研制成天河一号 超级计算机成大国新竞技场

11月16日，国际“Top500”在美国新奥尔良正式发布第36届最新全球超级计算机500强排行榜，中国的“天河一号”位居榜首。连日来，“天河一号”夺取世界冠军的消息吸引着全球媒体的眼球，也引发了人们对超级计算机的关注。
专题文字：毛玉西(除署名外)
“天河一号”以峰值速度4700万亿次、持续速度2566万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一，实现了从“亚洲第一”向“世界第一”的重大跨越。
互联芯片自主研发
全球之所以高度关注这次排行榜的变化，就是因为“天河一号”体现了我国的三大自主创新。
其一，部分芯片属于自主开发，芯片有望国产化。尽管“天河”的主要部件仍来自英特尔与英伟达两个美国制造商，但互联芯片则完全是中国自主研发，“天河”安装有由中国自主研发的“飞腾1000”芯片，部分取代了进口芯片，为全部国产化奠定了基础。
其二，设计构架属于中国独创的结构。从传统上看，超级计算机由成千上万块家用电脑的CPU(核心计算芯片)组装而成；这些CPU必须在系统软件和通信器件的协调纸下，才能充分发挥合力，否则就是一盘散沙。随着超级计算机从“百万亿次”进入“千万亿次”，类似计算机“大脑”的CPU越来越多，协调难度也越来越大。
而“天河一号”采用先进的“CPU+GPU”的设计思路，将GPU(图形芯片)用于超级计算机，起到了“CPU加速器”的作用。目前，这种先进的技术路线还在探索阶段，但前景看好。中国依靠这条技术路线开发出排名第一的“天河一号”，已经很有说服力。
其三，软件操作系统不再受制于人。“天河”采用了与其他超级计算机操作系统不同的“麒麟”系统，这也是中国国防科大自主开发的，以高安全性著称，它就像到银行租个保险箱，钥匙与密码都掌握在自己手上，避免受制于人，确保了“天河一号”的信息始终自主可控地掌握在自己手中。
“中国速度”震惊美国
纵观今年的榜单，中国无疑是进步最大的国家。过去17年里，中国只有两台计算机曾入围“Top500”年末前10，而且都是第10名。去年，中国还只有21台计算机入围全球前500名，位居美、英、德、法之后，今年增加到了41台，总量仅次于美国，排名第二。
过去一年间，全球前500快计算机的运算能力总和，增幅仅为56%。中国超级计算机的进步，体现了中国国家实力增长，是中国实力的一个缩影。全球超级计算机排行榜编撰人之一、美国田纳西大学计算机学教授唐加拉说，中国“天河一号”将一度位列第一的美国“美洲虎”远远地甩在身后。
在16日排名正式公布前，美国媒体就已经高度关注“天河一号”的消息。《华尔街日报》援引美国计算机专家的话称：“毫无疑问，‘天河’是高性能计算领域游戏规则的改变者，这是一个转折点，标志着经济竞争力从西方转向东方。”在美国11月中期选举前后，美国总统奥巴马多次在讲话中提到，现在不仅世界上速度最快的火车在中国，中国还制造出了世界上速度最快的超级计算机。美国弗吉尼亚理工学院一位计算机专家称，这意味着美国在这一技术领域的支配权已经动摇。
在中外媒体与专家的分析看来，超级计算机技术原本是美国传统的“优势项目”，如今正被中国超赶，这无疑让美国感到警惕与震惊。在超级计算机研制领域，中国的发展速度给世人留下了极深刻的印象。在过去十年间，中国在超级计算机全球排名榜上的位置稳步上升。
超级计算机：大国竞争的焦点领域
对各国来说，超级计算机是“计算机领域的珠穆朗玛峰”，类似称谓还有高性能计算机、高效能计算机等。从全球看，超级计算机领域的竞争十分激烈，过几年就有新的巨型机投入使用，排名变化很快，它是各国尤其是大国必争的战略制高点，甚至是一个国家综合实力与技术实力的主要体现。
中国：抢占高科战略制高点
上世纪90年代初，中国的超级计算机几乎全是进口产品，科研机构要在外国人的现场监控下使用进口计算机。近年来，中国逐步探索出了一条适合国情的发展超级计算机的新路子，“中国制造”不断缩小与发达国家的差距，在一些技术领域甚至处于世界领先地位。入围世界前500名排名中，中国以41台机器的占有数量，超过日本、法国、德国和英国，成为超级计算机的第二大使用国。《纽约时报》称，中国正在由一个超级计算机领域的“后起者”向“超级大国”转变。
“天河一号”的运算速度达到世界领先水平，其意义远远超过计算机本身，这意味着超级计算机被美日垄断的局面已被打破，这是中国科技迅猛发展的重要标志。对我国来说，类似“天河一号”这样的超级计算机，在消除我国安全威胁、提高我国产业的自主设计能力和核心竞争力等方面有不可替代的作用。
美国：试图超越“天河一号”
对中国“天河一号”占据世界第一的说法，美国著名计算机设计师沃利奇表称，世界不会停止脚步，中国的赶超只是暂时情况。美国在失去“世界最快计算机拥有者”称号之后，会加大超级计算机方面的研究。
有媒体称，目前已有五个计划或正构建的超级计算机系统，其运算能力将会超越“天河一号”，这些正建造的超级计算机大多数都集中在美国。美国正在开发的一套名为“蓝水”的计算机系统，使用的是IBM公司的Power 7多核处理器，每秒持续运算速度能达1000兆次，最高可达10000兆次。此外，美国橡树岭国家实验室正在研制内置加速器的超级计算机，研制成功后计算能力有望达20千万亿次，预计在2012年研制完成，其速度将近“天河一号”10倍。
日本：曾把美国挤下“头把交椅”
在研发超级计算机方面，日本属于起步较早的国家之一。自上个世纪90年代起，日本意识到超级计算机研发是提高其国际竞争力的重要一环，不断推出和更新超级计算机的研发计划。
1999年，日本投入400亿日元(约人民币25亿元)，开始名为“地球模拟器”的超级计算机研发，旨在通过在计算机内置“虚拟地球”预测及解析整个地球大气、地壳、地震等活动为目的。2002年，“地球模拟器”成功推出，将一直独占鳌头的美国挤下了“头把交椅”。
之后，由于预算资金削减原因，日本超级计算机的研发目的发生了转向，原由政府主导型的超级计算机研发政策，开始向产学一体化、为民生提供更多贡献的方向发展。目前，日本为外界所知的核心项目是10千万亿次级的超级计算机系统，预计2012年问世。
欧洲：20国参与斥资数亿欧元
欧洲采取了“化零为整”的联合手法，共同打造“超超级”计算机。今年6月，投资数亿欧元、有20个国家参与的连接多台超级计算机、每秒速度达百万兆次的超级计算机合作平台计划，在西班牙巴塞罗那启动。此计划旨在通过建立一个连接欧洲各种计算资源的基础设施，增强欧洲的超级计算能力。
10月25日，法国原子能委员会举行了大型计算中心揭幕仪式。大型计算中心坐落在法国北部的埃松省，总面积6500平方米，主要用途就是安放由欧洲多国共同研制的“居里”超级计算机，它可进行每秒超过1000万亿次的运算，相当于15万台笔记本电脑工作量的总和，将于2011年底正式投入运行。
俄罗斯：打造最高运算性能密度
2010年3月，俄罗斯方面透露，国立莫斯科大学正筹建一套最大性能超每秒千万亿次浮点运算的超级计算机，会杀进TOP500排行榜前三甲，甚至还有望拿下第二位。
与此同时，今年9月，俄罗斯还展示了最高密度Tesla超级计算机，号称可实现全球最高的运算性能密度，在小空间内实现万亿次计算解决了占地空间大、造价高等缺点。
印度：有潜在实力再造佳绩
目前，印度也是世界上为数不多几个自主拥有超级计算机的国家，它以低廉的成本，研制出了高品质和具备高速运算能力的超级计算机。2007年，全球“超级计算机500强”排行榜中公布，印度首次有超级计算机打入世界第4位。
尽管目前500强中印度只占有4席，但印度的IT产业为世界所称道，它依然有强大的潜在实力再造佳绩。
专家提醒“保持冷静”
在承认中国在超级计算机研发进步速度飞速、自主研发能力提高的同时，专家也在提醒“保持冷静”：就整体优势而言，美国依然占据第一梯队，我国也只是在第二梯队中占据领先地位。在专家看来，衡量一个国家在超级计算领域的实力，速度并非唯一指标，更重要的是看应用能力。
其一，应用程度远低于美国等发达国家。据悉，自2007年7月“天河一号”系统正式上网投入使用后，目前已有石油勘探、高端装备制造、生物医药、动漫设计等方面为20多家用户提供服务。在我国，核心的工业界尚未掌握运用超级计算机的能力；在国外，超级计算的用户，都是波音、福特汽车等大型、一流的企业。
其二，应用软件开发难度大。大型应用软件，从来是中国超级计算机发展的一块短板。“软件说到底是一种文化。Windows操作系统的生态链非常丰富，为它开发软件的人很多。但‘麒麟’系统还没有形成生态链，所以使用性就会不足。”“天河一号”常务副总设计师、国防科大计算机学院院长廖湘科表示。专家表示，要用好“天河”这样的超级计算机，必须在每个专业学科领域——工业、流体力学、结构仿真、生命科学等都开发出专门的应用软件。而在我国，这类软件的自主研发能力不足，要依赖进口，国外对这些软件的出口往往采取限制措施。
其三，超级计算机的核心部件还是由美国制造。比如，“天河一号”中7168个GPU都是美国英伟达公司生产。入围世界前500名的41部中国超级计算机之中，其中40部使用英特尔的处理器，还有一部采用了AMD的处理器。而我们的邻国日本富士通公司正建造的一台超级计算机，则完全依靠日本自己的技术。
数字解读“天河一号”
1、投入力量
直接参与“天河一号”研发的科技人员有200多人，平均年龄为36岁；投资为6亿人民币，使用寿命预计为10年。
2、运算速度
“天河一号”峰值运算速度为每秒4700万亿次。做个换算对比：“天河一号”运算1小时，相当于13亿人同时计算340年以上。
3、存储容量
“天河一号”存储容量为两千万亿个字节。做个换算对比：“天河一号”可在线存储一千万亿个汉字，相当于存储100万汉字的书籍10亿册。
4、总功耗和能效
“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。
这个数字看起来很大，但实际上它是一台节能、绿色的超级计算机，对能量的利用率很高。
“天河一号”每瓦特能耗可实现每秒635.15百万次浮点运算，这个能效值仅低于目前能效排名世界第一的IBM“蓝色基因”。
5、安全性
“天河一号”具有高安全性的特点，其操作系统软件是国防科技大学自主研制的“麒麟操作系统”，是目前国内安全等级最高的操作系统，国内唯一通过中国公安部B2级认证的操作系统(B2级是目前最高安全等级)。
因此，“天河一号”的安全性有良好保障。
6、体积和重量
“天河一号”由140个机柜组成，每个机柜1.45米宽、1.2米深、2米高，排成13排，这个方阵占地约700平方米，总重量约160吨。站在“天河一号”前，会觉得“天河一号”气势宏伟、震撼人心。
但实际上，“天河一号”在世界上已有的千万亿次超级计算机中(多数占地近千平方米)，可谓是一个身材苗条的“小个子”。(新华社)
超级计算机“十大用途”
据新华社电  各国竞相追求的超级计算机，到底能够做些什么呢？
很显然，日常经济、科技、国防等领域存在一系列复杂、大型的问题，都建立了越来越精细的物理模型，都需要计算机求解。
最复杂、最大型的一类被称为“挑战性问题”，必须依赖同时代中运算速度最快的“超级计算机”。
1.气候预测：借助超级计算机预测气候变化，从而减轻气候变化给人类带来的破坏。
2.交通业：超级计算机可用来认识和改进汽车、飞机或轮船等交通工具的空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性，并帮助提高乘坐者舒适度、减少噪音等，所有这些都具有潜在的经济和安全收益。
3.生物信息学和计算生物学：生物学已经显示出巨大的计算需求，超级计算机将帮助寻找疾病治疗的革命性方法。
4.社会健康与安全：比如，污染、灾难规划以及针对本地和国家基础设施进行的恐怖主义活动等。
5.地震：对地震的模拟能帮助人类探索地震预测方法，从而减轻与地震相关的风险。
6.地球物理探测和地球科学：比如石油的勘测问题，这类问题具有潜在和巨大的经济效益。
7.天体物理学：模拟时间进程并加速这种模拟的进程，从而对天体的演变进行建模和理论试验。
8.材料科学与计算纳米技术：对物质和能量的模拟是计算密集型的。
9.人类／组织系统研究：比如对大量人口的行为进行模拟。
10.模拟核试验：借助于超级计算机的强大而且快速的运算能力，在实验室实施的亚临界核试验，与真正核试爆的效果是相同的。