一文看懂“太湖之光”夺魁的秘密,感受一下什么叫快

2016-06-21 10:13:18 来源: 新京报
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昨日,国家超级计算无锡中心,“神威·太湖之光超级计算机露出真容。
 
近日德国法兰克福国际超算大会(ISC)公布了新一期全球超级计算机TOP500榜单,由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”以超第二名近三倍的运算速度夺得第一。更令人振奋的是,该套系统实现了包括处理器在内的所有核心部件全国产化。
 
基于全球最快超级计算机“神威·太湖之光”系统的三项全机应用入围国际高性能计算应用领域最高奖——戈登贝尔奖。该奖设立30年以来,中国团队从未入围。此次,基于“神威·太湖之光”系统研发的三个课题入围该奖项,占入围总数一半。
 
世界运算最快是种啥感受?运算一分钟相当于地球人算32年。
 
“相当于200多万台普通电脑”
“简单来说,这套系统1分钟的计算能力,相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年;如果用2016年生产的主流笔记本电脑或个人台式机作参照,‘太湖之光’相当于200多万台普通电脑。”国家超级计算无锡中心主任杨广文介绍。
 
走进国家超级计算无锡中心,1000平方米的房间内,记者看到了“神威·太湖之光”的“真身”:
由40个运算机柜和8个网络机柜组成。每个运算机柜比家用的双门冰箱略大,打开柜门,4块由32块运算插件组成的超节点分布其中。每个插件由4个运算节点板组成,一个运算节点板又含2块“申威26010”高性能处理器。一台机柜就有1024块处理器,整台“神威·太湖之光”共有40960块处理器。
 
“每一块处理器相当于20多台常用笔记本电脑的计算能力,4万多块再组装到一起,速度之快可想而知。”杨广文说。
 
“中国心”打破30年技术封锁
30年前,中国的超级计算机用户有一个神秘的“玻璃房”:美国人把一台超级计算机卖给中国,用不透明的玻璃包裹得严严实实,中国技术人员没有授权不得入内。
 
正是这种封锁带来的激励,让我国下大力气研发全国产化的“神威”系列超级计算机,直至此次登顶国际榜单。只有5厘米见方的薄块“申威26010”不仅成为“神威·太湖之光”的心脏,也成为我国自主研发打破30年技术封锁的一柄利器。25平方厘米的方寸之间,集成了260个运算核心,数十亿晶体管,达到了每秒3万多亿次计算能力。单芯片计算能力相当于3台2000年全球排名第一的超级计算机。
 
杨广文表示,不可否认,“神威·太湖之光”的成功,标志着我国超级计算机研制能力已位居世界领先水平,但在技术储备、系统稳定性方面与发达国家仍有明显差距。
 
国家并行计算中心的相关科研人员表示,需要解决的技术关键环节非常多,以能耗为例,“神威·太湖之光”一年的用电量达到15兆瓦,相当于3个清华大学的用电量。以现有技术即使能够实现百亿亿次,能源消耗将十分惊人。
更为关键的是,无论速度有多快,发展超算始终是为了“致用”,而这仍然是当前我国超算发展的短板。
 
中科院计算机网络信息中心研究员张鉴表示,我国利用超算系统解决问题的能力长期不足,相关商业应用软件仍为国外垄断,在软件研制、应用开发和人才培养方面还有待进一步提高。
 
■ 揭秘
三项入围戈登贝尔奖的应用分别为中科院软件所与清华大学、北师大合作的“全球大气非静力云分辨模拟”;国家海洋局海洋一所与清华大学合作的“高分辨率海浪数值模拟”;中科院网络中心的“钛合金微结构演化相场模拟”。有效使用超级计算机,算天、算地、算人,还能算命。
 
1算天:风中哪朵雨做的云?
气象台的天气预报准度一直在提升,这背后其实都是超级计算机的功劳。
北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院王兰宁教授,是中科院软件所与清华大学、北师大合作的“全球大气非静力云分辨模拟”团队成员之一。他从上世纪90年代从事气象预报员,到后来转型成为大气分析专家,预报天气的准头不断提升。
 
“下不下雨关键看云层运动,在没有超算之前,观测云层的精度是按照经纬度。有了超算之后,就可对云层运动进行精确模拟与观测。”王兰宁说。
为了提高观测精度,他十几年来追逐着超算发展的脚步。2011年,他在天津的“天河一号”上实现了观测精度10万公里的目标;随后,他又在“神威·蓝光”实现了1万公里精度;今年,他在“神威·太湖之光”上实现了9公里精度。如今,他又在向着3公里精度努力。
 
“如果能够盯着每一朵云,天气预报就将万无一失。”王兰宁说,当然,这还需要更强的超算能力支撑。
 
2算地:找飞机,抓偷排
寻找MH370,是世界科技角力的战场。一个必经的环节是数据处理,担当这一环节的角色即是超级计算机。“只要有足够精确的相关数据,超算就能找到失事飞机。”清华大学地球系统科学研究中心副教授黄小猛说。
 
除了找飞机,还有更多接地气的事情倚仗超级计算机来解决。
 
中科院深圳先进技术研究院正在国家超算无锡中心进行的一项课题,就是深圳市污染物扩散的模拟。通过超算模拟,可以根据目前污染物的情况,计算出未来一段时间的大气污染物浓度和分布,进行空气质量预报。从预报结果还可以计算出哪些污染源“贡献”最大,了解污染的来龙去脉,为污染防控提供决策指导。
 
“现在已经可以实现倒推排查究竟是哪个排放点导致了某次大气污染,未来将能够实现每个小区、每个居民点空气质量的准确预报。”中科院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮说。
 
3算人:判定脑梗塞风险
模拟血流、模拟心脏、模拟人体任何一个部分,有了超级计算机,这些都不再是梦想。
 
近期,美国科学家利用世界前十的超级计算机,选取一名真人扫描其血管系统,通过3D建模技术建立动脉系统模型,成功地再现了整个人体的动脉系统。任何直径或宽度在1毫米以上的动脉血管都会出现在模型中,而且模型的分辨率达到了9微米。
 
只要运算核够多、速度够快,医疗工作者的诊断和治疗水平将大大提升。
陈荣亮近日也在利用“神威·太湖之光”对人体血流进行模拟与分析,例如可以及时有效地判定一个病人是否会发生脑梗塞的风险。
 
“过去,对一个可能发生脑梗塞病人,医院难以判断是否要进行支架手术,一般都会通过从大腿动脉处放进测压导丝进行测量,这种方式既危险又痛苦。如今,经过模拟计算,只要血流储备分数如果小于0.8,就要做手术。”陈荣亮说。
 
4 “算命”:找出你个性偏好
超级计算机,在我们认识自己方面也能派上用场。
 
该功能的正式名称叫“个性特征服务”。美国的IBM超级计算机“沃森”近期宣布,通过对每个人2300条最新社交网络推文的解读,应用语言学分析方法归纳总结你的社交特性,然后将你与其他几十万甚至数百万用户进行比较,从而勾勒出你与众不同的个性。
 
“沃森”的分析程序如果由“神威·太湖之光”来做,是不是会更加准确?
“理论上是可以实现的,毕竟我国的超算已经达到了足够的分析能力。”长期从事超算应用的中科院计算机网络信息中心研究人员周纯葆说。只要科学家们的“脑洞”够大够好玩,设计礼服、设计创意食谱、设计任何你想得到或者想不到的玩意,超级计算机都有机会抢生意。
 
16日,一名研发工程师展示“申威26010”众核处理器。
 
 
 
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