中国超算支撑关键产业实现跨越式发展

　　在天津滨海新区举行的“纪念中国超级计算事业发展四十年暨国家超级计算天津中心成立十周年”活动现场展示的“天河三号”原型机上部分自主创新配件。 记者 毛振华 摄

　　编者按

　　作为国家重大科研基础设施，超级计算机是真正意义上的“大国重器”。当前，我国超算事业已走过了40余年的发展历程，不但实现了自主创新的诸多“第一”突破，而且接连几代超算还登上了世界速度巅峰。随着根基逐渐打牢，我国超算事业上接天气、下接地气，加快服务于产业创新，正在构建起产业发展的核心支撑力。

　　从“银河”的历史性突破，到“天河”“神威”等一系列超级计算机向世界展现“中国速度”，过去40年，依托国家级超算中心建设，在国家和地方的协同支持下，中国超算事业发展进入了快车道，支撑着诸多产业实现发展突破。

　　超算中心星罗棋布

　　前不久，中科曙光、天津海光、成都海光集成电路、成都海光微电子技术和无锡江南计算技术研究所5家机构被美国商务部列入所谓“实体清单”。中科曙光与江南计算技术研究所正是两家E级超算原型机的研制方。

　　我国超算事业尤其是E级超算研发是否会就此停滞？这是外界最为关心的话题。相关专家向记者透露，一方面，我国超算事业正在形成整体发展优势，不会因为个别企业被封锁就陷入困境；另一方面，加快自主创新早已成为超算业界发展的共识，独立研制E级超算已经在进行中。

　　回顾这些年发展历程，我国超算事业从无到有，当前更进一步向着超算大国、强国不断迈进。截至目前，我国先后在天津、长沙、广州等地建成6家国家级超算中心，为创新驱动发展提供了新动能。

　　早在2009年5月，科技部批准成立国家超级计算天津中心，随后又批准成立了深圳、济南、长沙、广州、无锡国家级超算中心。“天河一号”“神威蓝光”“曙光星云”“天河二号”“神威·太湖之光”等一批超级计算机在这些国家级超算中心完成部署和应用，开创了中国自主超级计算技术创新与产业化的跨越式发展新历程。

　　位于天津开发区的国家超算天津中心成立最早，这里部署着我国首台千万亿次超算“天河一号”。天津滨海新区区委书记张玉卓表示，自2008年滨海新区与国防科技大学签署全面科技合作协议以来，双方走出了一条军民融合发展创新之路，“‘天河一号’不但广泛应用于经济、科技等诸多领域，而且为科技创新产业发展提供了有力支撑。”

　　国防科大副校长黎湘说，围绕超级计算技术创新成果转化，天津逐步建立起从高性能芯片、自主操作系统、高性能服务器、数据库等较为完善的自主信息产业，成为高端信息技术创新、转化和引领的示范基地。

　　从“银河”的历史性突破，到“天河”“神威”等一系列超级计算机在世界范围内叫响“中国速度”的品牌，过去40年是中国超算事业不断突破的40年。在实践中，依托国家级超算中心建设，在国家和地方的协同支持下，中国超算事业发展进入了快车道。

　　“超级计算机已成为体现国家创新能力的国之利器。”科技部高新司副司长梅建平表示，我国将研究建设完善国家超算基础设施，从全国一盘棋来设计和整体布局，支持在重点区域建设国家级超算中心，“希望这些超算中心连接起来，成为真正的国家超算网络，形成全国超算资源共享的新格局。”

　　应用为先支撑创新

　　与欧美超级计算机大都安置在重点实验室，主要服务于学术机构及高校不同，我国超算“开门”搞科研，注重加快技术创新与应用创新的深度融合，攻关重大应用领域，锻造产业发展不可或缺的“国之利器”。

　　安置在国家超算天津中心的“天河一号”是应用的典范。该中心主任刘光明介绍，“天河一号”不但支撑着诸多产业实现发展突破，而且构建起了它们的核心支撑力。

　　走进“天河一号”机房可以看到，140个黑色机柜分多列排开，指示灯有规律地闪烁。国家超算天津中心应用研发部部长孟祥飞介绍说，“天河一号”如今实现满负荷运行，每天并发在线计算任务数超过1400项，做到了真正的“中看又中用”。

　　“天河一号”已应用10年，是世界上连续稳定运行时间最长的超级计算机。它在“算天”“算地”“算人”上持续服务于航空航天、气象预报、宇宙演化模拟、抗震分析等科研创新。每天服务8000多个科研计算任务，累计支持国家科技重大专项和研发计划等超过1600项，为石油资源开发、装备制造、生物医药等行业企业累计带来经济效益近百亿元。

　　在高端装备领域，支撑海洋装备、无人机等进行数值模拟；在生物医药领域，支撑艾滋病、胰岛素等自主知识产权新药的研发并获得重大突破；在新材料研发领域，支持200多个从事纳米、储能、超导等新材料的科研团队开展计算模拟研究。

　　中石油东方物探研发中心高级工程师陈继红说，基于“天河”平台，以自主高性能勘探数据处理软件系统为支撑，有力推动物探开展，保障了国家能源安全。

　　黎湘表示，社会在不断进步的同时，仍然面临许多重大挑战，这些挑战包括能源、全球气候变化、海洋环境、疾病治疗等，“解决这些挑战，我们需要超级计算机。”梅建平也认为，以国家超算天津中心为代表的国家级超算中心、超级计算的研制单位和应用单位，推动中国科技创新的整体发展。超算正日益成为驱动创新，尤其是大型企业产业创新的关键力量。

　　星辰大海再赴征程

　　近年来，E级超算成为各国在超算领域追逐的新目标。美国能源部已委托英特尔和克雷公司，共同建造美国首台E级超算，交付时间在2021年左右；欧盟预计于2022年到2023年交付首台E级超算；日本发展E级超算的“旗舰2020计划”由日本理化所主导，完成时间设定在2020年。

　　“它将是现有超算性能上的一次巨大飞跃。”孟祥飞说，E级超级计算机有望在气候科学、可再生能源、基因组学、天体物理学以及人工智能等领域“大显身手”，协助解决目前无法解决的难题，被公认为“超算界的下一顶皇冠”。

　　也正因为此，一旦率先研发出E级超算，不但将摘取世界超算桂冠，而且作为一项科研领域重大基础设施，将对诸多尖端领域产生重大且深远的影响。

　　我国在E级超算领域早已起航。2018年7月，自主研发的“天河三号”E级原型机在国家超算天津中心完成研制部署并通过验收。刘光明预计，整机在2021年左右完成研制，届时运算能力将比“天河一号”提高200倍以上，实现跨越式提升。

　　在“天河三号”E级原型机系统项目实施中，科研团队专门自主设计了三款芯片：“迈创”众核处理器（Matrix-2000+）、高速互连控制器、互连接口控制器；自主设计了四类计算、存储和服务结点，十余种印制电路板，核心关键技术上实现整体自主可控。

　　原型机系统研制成功后，该中心随即启动了大规模的计算应用测试，用数据说话。孟祥飞说，测试涉及国家12个重大创新专项领域、数十个国家重点研发计划。在不到一个月的时间里，多个中科院旗下院所以及中国空气动力研究与发展中心、北京临近空间飞行器系统工程研究所、清华大学等30余家合作单位轮番上阵，马不停蹄利用原型机开展一系列大规模并行应用测试，涉及大飞机、航天器、新型发动机、新型反应堆、电磁仿真、新材料新能源、气候气象、生物医药等领域50余款自主研发高性能软件和大型开源软件。测试下的原型机实力不俗。仅6个机柜就达到了与“天河一号”120个机柜相当的计算能力。

　　石油勘探是超算应用的主要领域之一，称得上“找油”利器。在原型机上的石油勘探地震正演模拟测试表明，其计算节点中一个核组的性能就达到“天河一号”单节点的1.24倍，而原型机每个节点有12个这样的核组组成，“找油”更快更准。孟祥飞称，这说明“天河三号”E级原型机相比“天河一号”具有更好的高速互联网络，通信性能优势明显。

　　紧随其后，神威E级原型机在国家超级计算济南中心完成部署。山东省计算中心主任杨美红表示，原型机的成功研制对E级计算机研制方案和技术路线进行了全面系统验证，为E级计算机的研制成功铺平了道路。此外，由中科曙光牵头的曙光E级原型机系统也已完成。

　　从世界各国研发设定的时间节点看，E级超算均预计在2020年至2022年推出，因此今年正是E级超算研发的关键冲刺年。基于自主创新的中国E级超算将沿着前人的足迹，继续夯实根基、加快步伐，向着全新的世界速度之巅发起冲锋。(记者 毛振华)