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什么是超级计算机?天河二号怎么样?

  出品| 网易新闻学院

  作者| 张九儿,国防科技爱好者


  2014年“天河二号”一鸣惊人,让很多人知道了享有“科学加速器”之称的“超级计算机”。


  那么,问题来了,何为“超级计算机”?


  顾名思义,就是“计算机”+“超级”的超强组合体——它有着强大的计算能力和数据处理能力。平时,我们经常会抱怨自己电脑“卡死了”,这与电脑的内存和运行速度有关。超级计算机就不会“卡”,因为它的优势就是“大容量”和“高速度”。那它究竟有多快——就相当于火箭的速度和人类步行的速度。


  在这样的运算速度下,很多复杂的科学问题可以通过数值模拟来进行解决,因此超级计算机也被生动的称为“国家经济发展与科学技术创新能力的加速器”。


  说到这里,你可能就会觉得“超级计算机”这个词太玄幻,离我们的生活太远了,其实不然,它可以运用到我们生活的各个领域。比如,在电影产业中,你所熟悉的《阿凡达》里面的人物特效就是用超级计算机来算出来的。当然,它还可以用来预测天气、研制新型材料、进行核试验模拟······

  

什么是超级计算机?天河二号怎么样?


  运算1小时=13亿人同时用计算器计算1000年


  那么,说回“天河二号”,它曾连续6年稳坐世界超算的第一把交椅,直至2016年6月新一期全球超级计算机500强榜单公布,中国自主芯片制造的“神威太湖之光”才将其取而代之。

  

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  2015年11月16日,中国“天河二号”获全球超算六连冠


  它的速度到底有多快——峰值计算速度5.49亿亿次,持续计算速度3.386亿亿次,这样的计算速度是当时排名第二位的美国“泰坦”计算速度的近两倍左右。在这样高速运转下,“天河二号”仍可以连续运行10小时无故障,运行稳定性全球第一。有这样一个计算:“天河二号”运算一小时的运算量,相当于13亿人同时使用计算器计算1000年的计算。


  2015年,北京师范大学天文系利用“天河二号”成功进行了三万亿粒子数中微子与暗物质的宇宙学数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年以后至今约137亿年的漫长演化进程。

  

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  模拟宇宙中微子和暗物质的分布图像

  能“吃进”600亿册10万字图书


  占地小、内存大——“天河二号”超级计算机由170个机柜组成,占地面积720平方米,这与之前的“天河一号”占地面积相当,计算性能与计算密度提升了10倍以上。内存总容量1400万亿字节,存储总容量12400万亿字节,这相当于存储每册10万字的图书600亿册。想想以你的大脑要把这么多书“吃进去”要花多少亿年!

  

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  “天河二号”超级计算机


  耗电量低——这套系统功耗17808千瓦,这样的能耗系统,一年大约耗电2亿度,看着数字比较大,但是你想,同样的运算量,1000台电脑连着网线运算10天就要费1万度电,而超算只需两天5000度电就能算出结果!


  这是因为其性能也很高,能耗比达到了1.9Gflops/w(千万亿次/秒兆瓦),也就是19亿次每秒瓦特,而最绿色的超算能耗比为2.5Gflops/w。Titan(泰坦)能耗比为1.95Gflops/w,“红杉”为2.17Gflops/w, “天河二号”虽略逊于二者,但与“天河一号”相比,执行相同任务时耗电量仅为“天河一号”的三分之一。


  延续自主创新的“新型异构多态体系结构”


  一般,提升计算机运行速度,主要依靠更新CPU或者是提高CPU运行速度的方式。在计算机的发展中,CPU的技术限制几乎达到瓶颈。


  增加集群CPU数量固然可以增加速度,但是集群运行速度并不会持续攀升,而是趋向某一峰值;而且,那么多CPU在一起,不仅散热也是个问题,耗能也是一大阻力。所以,全新的超级计算机搭建方式亟待解决。


  2010年下半年,经过两个多月的装配与调试,“天河一号”另辟蹊径,创造了“CPU+GPU异构融合体系”,因其低能耗、低成本、高集成度等优点成为国际主流。在此基础上,“天河”创新团队为“天河二号”设计出“新型异构多态体系结构”,这种结构不仅大幅度提高系统的计算速度,还将其应用从科学计算拓展至大数据处理、大规模信息服务等多个领域。


  将国产芯片运用到了极致

  处理器的“大脑”


  “天河二号”有很多处理器,处理器的主要作用是资源管理,而每个处理器又有多个核。一个运算任务要均匀分配给众多的处理器,这就需要“调度指挥”,就像高铁也有自己的“大脑”来调度车辆,前端处理器调度的则是处理器。


  “天河二号”的计算节点前端处理器为4096颗中国国防科技大学研发的FT-1500,16核心SPARC V9架构的处理器。

  

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  FT-1500 CPU

  高速互联架构的“心脏”


  保证计算机高效快速运转,不仅要保证集群CPU,还要保障高速的网络互联性。想想如果车速提上去了,但是道路不通,该有多么心塞。


  也正是因为高速互联网络如此重要,所以早就被美国列入技术封锁的名单。“天河二号”互联方面采用自主研发的 Express-2内部互联网络,高速互联架构使用光电混合传输技术,其有13个交换机,具体控制器是名为NRC的ASIC专用集成电路,其采用90nm工艺,2577 pin,这是国产芯片应用的另外一处地方,将国产芯片的作用发挥到了极致。

  

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  Express-2内部互联网络

  中国超算更具“普适性”


  迄今中国超级计算机的投资主要用于硬件开发,客户必须自己编写程序才能使用。一些用户或需要多年甚至十年时间来编写必要的代码。

  

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  天河二号定位目标


  因为超级计算机在国内的发展速度已经远超过于相应人才的培养速度,这导致超级计算机的软硬件技术之间出现巨大差异。不过这也成就了中国超级计算机的“普适性”。比如美国,他们超算研发目的都是自用,例如Titan主要用于美国能源部内部的核试验模拟。他们的超级计算机计算用途较为简单,基本只能适配于某一方向,但专业性比较更强。而国内的超级计算机更为开放,可针对更多用户。


  中国的超级计算机之路已从最初的受制于人的状态正在逐渐扭转,如今已呈现“三箭齐发”态势——国防科学技术大学“银河”、“天河”;北京“曙光”、“星云”;无锡“神威”,这些都是中国科技的“加速器”,助力科学未来。


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“天河二号”副总设计师:创新铸就超算“中国速度”

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