近幾年來，我們(men) 經常會(hui) 聽到智能醫療、自動駕駛、AI大戰圍棋高手等熱點詞匯或事件。對於(yu) 這些詞匯，大家能想象到的可能是一台醫療儀(yi) 器，一輛汽車，也可能會(hui) 以為(wei) 和圍棋高手對戰的隻是那台小小的電腦。但事實並非如此，在它們(men) 背後，有我們(men) 看不到的龐然大物：超級計算機。 

　　計算機電腦，我們(men) 並不陌生，但超級計算機似乎離我們(men) 的生活很遙遠，今天就跟大家聊一聊，我國首台千萬(wan) 億(yi) 次超級計算機“天河一號”背後的故事。  

　　超級計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲(chu) 容量最大的一類計算機。經常被用於(yu) 國家高科技領域和尖端技術研究，或者科學家通過對數值模擬來預測和解釋以前無法實驗的自然現象，肩負著運行大型計算的使命。 

　　簡單來說，超級計算機的基本構成其實和我們(men) 個(ge) 人電腦的概念並沒有太大的差異，但規格與(yu) 性能則強大很多。例如，家用電腦一般隻有一個(ge) CPU，每個(ge) CPU內(nei) 一般隻有2個(ge) 到8個(ge) 物理核心；而一台超級計算機則有成千上萬(wan) 顆CPU，每顆CPU內(nei) 通常有幾十個(ge) 物理核心，於(yu) 是超級計算機就成了這樣一台由數百數千甚至更多的處理器組成的、能計算普通PC機和服務器不能完成的大型複雜課題的計算機。 

　　超級計算機最大特點是在於(yu) 它具有超強的計算和處理數據的能力，運算速度可達到每秒萬(wan) 億(yi) 次以上。 

　　CPU，也叫中央處理器，是一塊超大規模的集成電路。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據，是一台計算機的運算核心和控製核心。我們(men) 可以把CPU理解成人類的大腦，發現了問題就相當於(yu) 輸入了數據，這時大腦就會(hui) 根據問題進行處理，處理的速度取決(jue) 於(yu) 大腦，也就是CPU的性能，性能越強，收到處理結果的速度就越快。 

　　2007年11月，美國研製出了世界第一台千萬(wan) 億(yi) 次超級計算機，峰值計算速度每秒1456萬(wan) 億(yi) 次。在2009年6月公布的世界超級計算機500強中，美國占據291席，歐洲占據145席，而且前10名全都是美國產(chan) 品。與(yu) 發達國家相比，我國不僅(jin) 在計算能力上相差一個(ge) 量級，裝機數量上也有所差距。 

　　在日新月異、競爭(zheng) 激烈的超級計算機研製領域，不進則退是十分現實而殘酷的生存法則。因此，麵對高性能計算領域的嚴(yan) 峻挑戰，中國國防科技大學計算機學院的科研人員再次吹響了研製“天河一號”的號角。 

　　為(wei) 了打造屬於(yu) 自己的超級計算機，天河團隊堅持自主創新，潛心攻關(guan) ，甚至在研製過程中還展開了一場極富創意的“主動出擊戰”。在當時，我國研討製定的方案是：先研製兩(liang) 台百萬(wan) 次超級計算機，再研製一台千萬(wan) 億(yi) 次超級計算機的“兩(liang) 步走”計劃。但天河團隊經過深入地技術調研和反複地權衡利弊，決(jue) 定從(cong) 每秒10萬(wan) 億(yi) 次直接衝(chong) 刺每秒1000萬(wan) 億(yi) 次，走別人沒有走過的CPU加GPU技術路線，這一超常決(jue) 策引起了人們(men) 的一片嘩然。 

　　要知道，以10倍速度逐步遞增來研製超級計算機，已經成為(wei) 了國際慣例。從(cong) 每秒10萬(wan) 億(yi) 次直接向每秒1000萬(wan) 億(yi) 次跨越，大多數人都對這一決(jue) 策能否成功持有懷疑的態度。 

　　按常理來說，CPU是用來計算數據的，GPU是用來進行圖形和視頻處理的，如果把GPU用來計算，不僅(jin) 會(hui) 讓編程很難，而且計算效率也很低。但GPU具有並行度高、功耗低、價(jia) 格便宜等特點，如果能在用於(yu) 科學計算上取得突破，將具有十分突出的優(you) 勢。 

　　為(wei) 此，天河團隊大力攻關(guan) ，不斷地進行可行性驗證。那一段時間，晚上的研究室燈火通明，大家廢寢忘食，想要攻克這一難題。2009年3月，天河團隊把CPU和GPU組合起來，發現總性能竟然還不到600億(yi) 次，而一顆CPU就有近500億(yi) 次的性能。也就是說GPU雖然用於(yu) 圖像處理速度驚人，但讓它與(yu) CPU放在一塊用於(yu) 科學計算，就變得非常懶惰，計算效能隻有20%左右。 

　　失敗的滋味並不好受，但是他們(men) 並沒有氣餒，而是連續突擊奮戰四個(ge) 月，先後改進優(you) 化了8萬(wan) 多次，創造了一個(ge) 科學奇跡：那就是在國際上首創了CPU和GPU相結合的異構融合計算體(ti) 係結構，把GPU計算效能提高到70%以上，達到了世界最高水平！ 

　　到了2009年10月29日，天河團隊成功研製出了我國第一台千萬(wan) 億(yi) 次超級計算機“天河一號”。一年後，升級改進的“天河一號”在第36屆國際超級計算機500強排行榜上取得了排名第一的好成績。 

　　作為(wei) 當時世界上運算速度最快的超級計算機，持續速度可以達到每秒2570萬(wan) 億(yi) 次浮點運算、峰值速度為(wei) 4700萬(wan) 億(yi) 次。如果換算成我們(men) 民用計算機的運算速度，“天河一號”運算1小時，相當於(yu) 13億(yi) 人同時計算340年以上。  

　　經過我國科研人員多年的努力，終於(yu) 打破了美國在超級計算機領域長期一家獨大的局麵，這也標誌著我國自主研製的超級計算機綜合技術水平跨入世界領先行列。 

　　但在我們(men) 歡呼慶祝的同時，需要知道我國的科研團隊在奮起直追的路上，有多少個(ge) 不眠之夜，又有多少次激流勇進。可以說，“天河一號”的成功，不僅(jin) 來自於(yu) 科研人員的辛苦鑽研，還來自超強的膽魄以及超出常人的科研精神。 

　　就拿通信光纖的鋪設來說，當時“天河一號”需要進駐國家超算天津中心，因為(wei) 是首期工程，所以時間緊、任務重。但在施工第一天，鋪設工程就遇到了關(guan) 鍵性問題，原來施工人員剛鋪設幾根通信光纖，就發現在40多攝氏度的高溫下，水泥表麵太過粗糙，光纖的絕緣膠皮很容易被磨出道道裂痕，個(ge) 別地方甚至還露出線芯。如果這個(ge) 問題不解決(jue) ，輕者會(hui) 導致信號中斷、通信短路，嚴(yan) 重時還可能造成係統紊亂(luan) ，影響“天河一號”的運行。 

　　由於(yu) 項目時間緊張，施工人員來不及多想，便紛紛跳進悶熱的溝槽，俯臥在粗糙的水泥地上，用身體(ti) 鋪就了一條“人肉地毯”，從(cong) 而將15000根通信光纖毫發無損地鋪設完畢。就這樣，等到“天河一號”試機那天，才使得打開機器的一瞬，全部通信線路暢通無阻。 

　　聽完研製“天河一號”的艱辛過程，或許有人會(hui) 有疑惑：科研團隊不辭辛苦，投入大量的人力、物力、財力製造出來的“天河一號”到底有什麽(me) 作用呢？ 

　　其實，“天河一號”超級計算機與(yu) 我們(men) 老百姓的生活是密切相關(guan) 的，它的應用可以簡單通俗地概括為(wei) 三個(ge) 方麵：即算天、算地、算人。 

　　所謂的“算天”，就是借助超級計算機預測氣候的變化，提供有關(guan) 發生可能性低、但破壞性大的氣象事件的預警，這樣就可以減輕極端天氣給人類帶來的傷(shang) 害。同樣，對於(yu) 天氣情況的準確預報也需要具備迅速完成大量運算的能力，比如我國自行設計生產(chan) 的“銀河Ⅱ型”大型機就曾經被使用於(yu) 天氣預報領域；在2008年北京奧運會(hui) 中，北京氣象局也采用了超級計算機來為(wei) 北京及周邊地區提供精確到小時的天氣預報。此外，超級計算機在航天領域同樣展現了絕佳的性能。 

　　 “算地”，就是相當於(yu) 給地球做“CT”。比如，超級計算機對地震的模擬，可以讓我們(men) 更好地對地震進行預測；而且，超級計算機還能對石油勘探的數據進行處理，想把石油、天然氣資源盡量多地開采出來，都需要利用高性能超級計算機對數據進行精確處理。目前，“天河一號”已經在石油勘探方麵獲得了成功的應用。 

　　而“算人”則是指探索人類大腦的秘密、破解人類基因密碼。如今，超級計算機的應用觸角已經延伸到生命科學研究等領域。借助超級計算機強大的計算能力，人類研製新藥的周期會(hui) 大大縮短，還可以為(wei) 疾病的治療提供革命性的方法。目前，軍(jun) 事醫學科學院已經在“天河一號”上進行了以胰島素受體(ti) 為(wei) 靶點的糖尿病新型治療藥物的研發。 

　　實際上，除了算天、算地、算人之外，超級計算機還可以為(wei) 經濟、科技、國防等領域存在的一係列複雜、大型的問題提供計算上的支持，解決(jue) 普通計算機難以解決(jue) 的“挑戰性問題”。而這正是科研工作者投入大量精力、時間去研製超級計算機的根本原因。



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