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科技创新70年丨中国超级计算进击史

2019-11-07 16:00:56 阅读量:2236 作者:匿名

透明玻璃房里有一台从美国购买的超级计算机。房间的钥匙由美国人员保管。中国科学家被授权进入玻璃室,必须在美国的监督下操作机器。

超级计算机操作的内容必须得到美国的批准。手术完成后,美国将立即封锁玻璃房。监控日志也将定期提交给美国政府审查。

这是中国超级计算机界经常提到的真实过去。

改革开放前后,中国缺乏独自研究超级计算机的技术。为了进行石油勘探,中国石油工业部为一台ibm超级计算机付出了巨大的代价。

金钱可以买到设备,但买不到技术。20世纪80年代,西方国家对中国实施高科技封锁,包括超级计算机。

尽管美国向中国出售超级计算机,但它仍保持密切关注,以防核心技术泄露出去,所以就有了“玻璃屋”的故事。

中国科学院院士、国防科技大学前校长杨薛军在谈到这段历史时说:“这是中国科研人员心中永恒的痛...这就像一个自己家里没有食物的农民和一个没有牛奶喂孩子的母亲。”后来,中国大力支持超级计算机的自主研究。国防科技大学是骨干力量,杨薛军成为超级计算机天河一号的首席设计师。

顾名思义,超级计算机(也称为超级计算机和高性能计算机)不能被普通个人计算机使用。个人计算机通常是四核、六核或八核处理器,而超级计算机收集数千万或更多处理器来处理大量数据和高速操作。

众所周知,“两弹一星”是国家硬实力的体现,超级计算机也是国家“两弹一星”的重量。

从军事模拟核试验到民用天气预报,从太空探索到人类基因测序,都有一个巨大的计算门槛。为了更快地得到计算结果,人们只能依靠超级计算机。

美国是世界上第一个在这个领域投资的国家。自20世纪50年代末以来,它开发了超级计算机来满足国防和军事需求。在20世纪60年代和70年代,全球超级计算机行业由两家美国公司主导。日本紧随其后。自20世纪80年代以来,它一直在大规模资助超级计算机研究项目。

自1993年以来,田纳西大学、德国曼海姆大学和美国能源部伯克利国家实验室每年发布两次超级计算机500强排名。发布时间是六月一次,十一月一次。

排名基于基准程序的linpack测试值。从1993年6月到2010年11月,前500名交替由美国和日本占据。

中国的国家超级计算机研究始于1978年。那年3月,在全国科学技术会议上,邓小平说:“中国要实现四个现代化,就必须有一台巨型计算机。”他自己开始了发展超级计算机的历史进程。

40年来,国防科技大学的“银河”和“天河”系列、中国科学院曙光的“曙光”系列、联想的“沈腾”系列、无锡江南计算技术学院的“神威”系列相继登场,使中国的超级计算机产业从荒芜走向与美国和日本平起平坐。

“我才60岁,即使我献出了生命,我也必须把我们国家的巨型机器拿出来。”

1978年,国防科技大学被赋予独自研究超级计算机的任务。当时,该大学计算机研究所所长慈云桂(Ciyungui)发出了履行军令的书面承诺,“每秒1亿次不低于每秒1亿次(计算速度为每秒1亿次)。六年来,一天不耽误,预算也不超过1美分。”

慈云贵可以说是中国计算机行业的大师。从电子管计算机到晶体管计算机,再到集成电路计算机,他是中国计算机每次升级和更换的主要驱动力。

但是超级计算机对他来说仍然是一座很难攀登的山。1978年,由慈云桂和他的团队开发的通用计算机系统151-4,速度只有每秒200万次,远非每秒1亿次的超级计算机。

接到任务后,慈云桂和他的团队成立了十几个研究小组,“在工厂吃饭,在电脑房睡觉”

在研发过程中自然存在许多问题。团队几个月来制定的计划被慈云贵以极大的决心否决,并带领大家重新制定一个更先进的总体计划。

冷液技术的研发难度很大,因此有必要采用易于操作的冷空气技术。为了确保机器的稳定性和可靠性,团队将逐一检查25,000根绕组线、120,000个备用触点和200多万个焊点。

最后,慈云桂团队创造性地提出了“双向量阵”结构,大大提高了机器的运行速度。不仅资金没有超过,而且研发任务也提前一年完成。

国防部长张爱平曾指导过“两枚炸弹和一颗卫星”的研究,他将这台超级计算机命名为“银河”。

当时,中国人民政治协商会议前副主席在听取了慈云桂小组的报告后说:“红军在1930年攻打长沙是一个伟大的壮举。50年后,你在长沙成功开发银河一号超级计算机更是一大壮举。”

银河一号的诞生打破了西方列强对超级计算机的技术封锁,使中国成为继美国和日本之后世界上第三个独立开发超级计算机的国家。因此,这台电脑被戏称为“智能机器”。

1983年,除了银河一号的成功开发,还发生了另外两个对中国超级计算机行业产生深远影响的事件。

有一件事是小事:南京通信工程学院的本科生杨薛军申请了国防科技大学的研究生,并投身于超级计算机研究。

他的毕业论文是关于向量巨型机编译技术的。慈云桂读了它,在论文旁边写道:这个人必须找到一种留下来的方法。

后来,杨薛军毕业后离开学校,参与了银河二号的开发。1994年,当银河三号被批准时,年仅31岁的杨薛军被任命为首席设计师。

后来,他成为天河一号的首席设计师,首次帮助中国成为最快的超级计算机。

另一个是影响全球格局的重大事件:执政三年的美国总统里根提出了“战略防御倡议”(sdi),也称为“星球大战”计划。

“星球大战”计划是冷战的产物。里根政府宣布将改变其疯狂的核平衡战略,转而使用天基和地基系统防御核武器攻击。

当时,中国专家普遍认为,《星球大战》表面上是针对苏联的防御计划,但实质上它有其他目的。

“(美国)正试图通过实施该计划来促进国防科技的发展,进而带动高科技和国民经济的全面振兴,从而确保美国在高科技领域处于第一位,最终实现夺取21世纪战略制高点的目标。”时任空间部空间技术研究所科学技术委员会副主任的杨嘉墀说。

“星球大战”计划出台后,许多国家和联盟纷纷效仿,制定了相应的政策:苏联和东欧集团制定了“科技进步综合计划”,日本提出了“未来十年振兴科技的基本政策”,17个西欧国家共同签署了“尤里卡计划”......

在这种背景下,包括杨嘉墀在内的四位科学家写信给邓小平和其他中央领导人,建议“跟踪世界战略性高科技发展”

邓小平表示支持这项提议,并很快宣布了一项“高科技研发计划”。自1986年3月四位科学家写信给邓小平同志以来,这个计划又被称为“863计划”。

在863程序中,“智能计算机”被列为主题项(即306主题)。

“国家智能计算机研发中心”(以下简称“智能中心”)应运而生,并选择“中国科学院计算技术研究所”(以下简称“中国科学院计算技术研究所”)作为支撑单位。

计算研究所成立于1956年,是中国科学院的王牌。在这里,中国第一台通用数字电子计算机和第一台通用cpu芯片诞生了。计算还成功完成了“两枚炸弹和一颗卫星”的数据处理。

像国防科技大学一样,中国科学院计算研究所后来成为中国超级计算机产业的中流砥柱。独立于中国科学院计算研究所的曙光,一直是863计划306的主题。

独立研发沈腾系列超级计算机的联想,在1984年成立时也是计算的基础。联想最早的名字是“计算新技术开发公司”。它的创始人刘传志在计算领域做了13年的研究。甚至参与研发神威系列的国家并行计算机工程技术研究中心也得到中国科学院计算研究所的支持。

1990年,情报中心正式成立。在其成立之初,面临着发展战略选择的难题。

20世纪80年代,世界目睹了人工智能热的第二次高潮。当时卡内基梅隆大学设计了一个专家系统,每年可以为商业公司节省4000万美元,引发许多国家和公司纷纷效仿。

新算法(专家系统)对计算力提出了新的要求。在计算机专家袁一波(Yuan Yibo)的领导下,日本于1982年宣布了“第五代计算机系统”的十年研究计划,希望开发一台划时代的超级计算机,使机器能够像人一样与人交谈、翻译语言、解释图像和推理。

当时,全世界正处于“人工智能热”的高潮,日本的“五代机器”也受到好评。在这种背景下,中国走“五代机器”的道路似乎是自然而合理的。“306专题专家组主席、中国工程院院士王成说。

事实上,306主题“智能电脑”的全称源于追随日本“五代电脑”的策略。

然而,在实施过程中,306专题专家组发现,日本“五代机器”的主要目标是实现自然语言翻译,这不太适合当时中国的国情。同一时期,美国的研发集中在个人电脑、高速工作站、超级计算机和互联网上,具有更大的借鉴意义。

专家组决定改变技术路线,负责这一课题的智能中心将其研究方向从“智能计算机”转向“高性能并行计算机系统”。

这个决定很快被证明是正确的。专家系统的问题逐渐暴露出来:应用领域狭窄,知识获取困难,维护成本高...日本的“五代机器”计划也失败了,人工智能进入了第二个低谷。

306 .改变主题战略的决定催生了黎明系列。在曙光1号的研发过程中,时任情报中心主任的李国杰领导了新的技术路线和科学研究模式。

自20世纪80年代以来,李国杰一直从事计算机的并行处理研究。1981年,他出国攻读博士学位,并在美国计算机权威华云升教授手下学习。1986年底回到中国后,他一直在中国科学院计算研究所工作。

在国外学习过的李国杰看到了中国发展超级计算机的传统道路的缺点。

长期以来,中国一直在封闭的条件下开发计算机,从零开始使用分立元件作为主板。开发周期短至5-6年,长至7-8年。机器的发展经常落后,很难被市场接受。

为了提高中国超级计算机的产品化和商业化,李国杰大胆开辟了一条新路。技术上,他首次在中国使用大规模集成电路开发并行计算机。至于计算机系统,他要求团队在unix源代码的基础上设计一个并行操作系统snix。

在研究模式上,李国杰派遣了一个六人小组到美国的硅谷。他把“借树开花生儿”的做法称为“外国插队”——利用外国合作的完整环境加快并行计算机的发展。

1993年10月,曙光1号超级计算机诞生,最高运行速度为每秒6.4亿次。它在许多技术上取得了突破,例如采用完全对称的共享内存多处理结构和并行化操作系统的核心。

此外,曙光1号投资低(直接研发仅200万元),开发周期短(从正式开发到成果评估仅一年半),商业化程度高,与中国过去的超级计算机开发形成鲜明对比。1994年,《黎明1》被写入政府工作报告。

1995年,智能中心推出曙光1000,实现了多项首创:第一台自行开发的大规模并行处理器架构计算机,第一台实际计算速度超过每秒10亿次的超级计算机,第一次独立进入市场销售。

在过去的几十年里,中国超级计算机的开发和生产一直以满足特殊部门的需求和使用行政手段确定用户进行推广为目标。黎明1000的发展和推广在一开始也是一项政府法案。

然而,曙光天朝系列(包括曙光1000和曙光1000a)商业化后,逐渐走上商业销售之路。

1997年,曙光1000a号在辽河油田落户。这是中国超级计算机首次独立进入市场,实现了国内超级计算机商业化的突破,打破了进口产品在中国超级计算机市场的垄断。

开头一段提到的“玻璃房子”的故事,黎明以公元1000年结束

为了满足市场需求,曙光于1996年独立,成立了一家有限公司。李国杰担任曙光公司董事长兼总经理,开启了工业化之路。

当新公司成立时,李国杰要求远离中国科学院计算研究所,以“切断”他的心理依赖。因此,道恩从计算搬到了清华大学旁边中关村水磨西街的四合院里。

黎明独立时,中国的互联网刚刚起步,但李国杰敏锐地意识到,互联网需要超级服务器来满足对信息服务和数据处理的巨大需求。

一般来说,超级计算机主要用于科学和工程计算,寻求最高的计算速度。超级服务器是更通用的高端计算机,除了科学计算之外,还用于交易处理和网络服务。

因此,超级服务器已经成为曙光的一个重要发展方向。

1998年和1999年,曙光2000-1和曙光2000-2超级服务器相继推出,率先在中国开发大规模unix集群系统。

其中,曙光2000-2002年的峰值速度超过1100亿次。一些数据显示,访问曙光2000-2002后,美国计算机行业的权威学者在给美国政府的报告中指出,中国的高性能计算机发展已经从落后走向非常接近西方水平。

2000年,曙光3000超级服务器以每秒4032亿次的峰值速度发布。这台超级服务器在开发初期就被北京华大基因研究中心“保留”,在中国超级计算机史上开创了一个先例。

在曙光系列频繁升级的同时,863程序在计算机系统研发中的内涵也发生了变化。

从1999年到2000年,863计划306实施了一个重大项目“国家高性能计算环境”。这意味着不仅要开发超级计算机,而且要用开发的计算机构建高性能计算环境,以更好地支持高性能计算的应用。

每秒4000亿次黎明3000次是这个课题的成果之一。此外,已经建立了五个高性能计算中心,以建立国家高性能计算环境。

2002年,“十一五”863计划启动了“高性能计算机和核心软件”重大项目。它的主要任务是每秒开发4万亿台超级计算机,研究和突破关键的网格技术。

863计划的两项新举措反映了中国建设超级计算机理念的变化。以前,他们因缺乏超级计算机开发技术而补课,现在他们更加注重超级计算机资源的整合和应用。

相应地,超级计算机的发展模式也在改变。从“十五”863计划开始,超级计算机的研发打破了过去一家公司定向委托的做法,引入了竞争机制。例如,开发4万亿台超级计算机的任务落在联想和道恩身上。

联想的第一台超级计算机是沈腾1800,它于2002年成功开发,最高计算速度为1万亿倍。2003年,联想率先开发沈腾6800,峰值速度达到5.3万亿次,在2003年11月的500强榜单中排名第14位。

2004年,曙光4000a也顺利诞生,最高速度为11.2万亿次。在2004年6月的500强排名中,道恩4000a排名第10。这是863计划开发的超级计算机首次进入世界前十名。

2008年对中国和中国超级计算机界来说是非常重要的一年。

今年,北京主办了奥运会。开幕式上,李宁踏上“祥云”,沿着“空中跑道”奔跑,同时一幅中国画卷沿着“空中跑道”展开。

这幅画卷的数字图像是根据5000年的233万亿曙光计算出来的。

这台超级计算机被称为魔方(Rubik's Cube),是当时除美国之外世界上最快的高性能计算机系统。然而,魔方只是“十一五”863计划的阶段性成果。

2006年,“十一五”863计划以发展1万亿台高性能计算机为主要目标之一,设立了“高性能计算机与网格服务环境”重大项目。

“超级计算机的发展规则是每十年将性能提高1000倍。2000年国际先进水平是1万亿倍,到2010年肯定会达到1万亿倍。要占领制高点,我们必须尽快开始开发1万亿台计算机。”上面提到的天河一号的总设计师杨薛军说。

从2004年到2006年,中国最快的超级计算机曙光4000a仅运行了11.2万亿次。一步跳到1万亿台超级计算机是不切实际的。因此,发展1万亿台超级计算机需要两个步骤。

在第一阶段,道恩和联想分别研究了1万亿台超级计算机,为1万亿台超级计算机积累了经验。第二阶段,中国科学院计算与曙光研究所、国防科技大学和浪潮、国家并行计算中心和无锡江南研究所分别开发了1万亿台超级计算机。

2008年,233万亿曙光,5,000个天文数字和157万亿深度跳跃,7,000个相继登台。前者在前500名中排名第10,而后者在前500名中排名第19。

黎明5000和沈腾7000的诞生意味着中国已经成为世界上第二个有能力开发数百万台超级计算机的国家。

然而,美国仍然走得更快。2008年上半年,ibm推出了1万亿辆roadrunner,早于杨薛军2010年的预测。

第二阶段的努力在2009年至2010年间取得了成果。国防科技大学和浪潮联合开发的1万亿台超级计算机分两个阶段开发。天河一号诞生于2009年,最高运行速度为1206万亿次。

2010年,第二架天河一号成功研制成功。在11月份的500强排名中,天河1 A对比了橡树岭国家实验室的美国美洲虎,最高运行速度为每秒4700万亿次,持续运行速度为2566万亿次。

这是一个里程碑式的事件——中国自主研发的超级计算机首次在超级计算机500强中名列第一。

天河一号还在国际上提出了一种新的超级计算机架构。

构建超级计算机的传统方法是集成更多的处理器,但是增加处理器的数量受到功耗、占地面积和系统可靠性的限制。

“按照传统方法,每秒钟要建造十亿次超级计算机,需要占地13000平方米,差不多两个足球场大小;它需要320兆瓦的电力,相当于一个大中型城市的电力。”

天河一号总设计师杨薛军没有遵循传统方法,而是率先采用了CPU和gpu异构集成的架构,这从工程实现上首次证明了GPU可以用于超级计算机。

由于这种结构的低能耗、低成本和高集成度,异构超级计算机很快在世界范围内掀起了一股热潮。

中国科学院计算研究所和曙光研究所开发的曙光6000(星云)同样令人印象深刻。这台超级计算机的最高性能达到了1271万亿次,在2010年11月的500强中排名第三,仅次于天河1 A和彪马。

无锡江南计算技术研究所开发的神威蓝光也达到了1100万亿倍的峰值计算速度。

在3万亿台超级计算机中,神威蓝光是唯一一台完全采用中国自主研发的cpu“神威”的计算机,尽管其运行速度相对较慢。

自主开发的cpu能够以领先的速度支持超级计算机,这一问题的重要性近年来越来越明显。

2019年6月,继中兴和华为之后,美国政府对中国超级计算领域的五家机构实施了制裁。

美国商务部工业和安全局宣布,将把中国科学曙光、成都广海集成电路设计公司、成都广海微电子技术公司、天津广海信息技术公司和无锡江南计算技术研究所列入实体名单。

这三家广海企业都是曙光的子公司,也就是说,此次制裁的对象只有两个:曙光和无锡江南计算技术学院。

事实上,早在2015年,国防科技大学、国家超级计算机长沙中心、国家超级计算机广州中心和国家超级计算机天津中心就被列入实体名单。

从天河系列(国防科技大学)到曙光系列(中国科技曙光)和神威系列(江南计算技术学院),中国三大超级计算机系列都得到美国的认可。制裁旨在抓住中国过度计算的“瓶颈”,阻止最关键的芯片。

近年来,中美在超级计算机领域的竞争日益激烈。自2013年6月以来,天河二号连续三年以每秒5.49亿次的峰值表现位列前500名。2016年6月,神威太湖之光以每秒12.54亿次的峰值性能连接天河二号。直到2018年6月,美国能源部才宣布以18.77亿倍的峰值结束峰会,并重新获得500强的位置。

在国防科技大学于2015年被美国列为实体后,使用英特尔至强处理器的天河二号原有升级计划立即中断。

神威太湖之光没有这样的担忧。“该国希望采用另一种技术路线来开发新的超级计算机。新型超级计算机从其布局一开始的想法就是建立具有国家生产结构和独立控制的软件和硬件。”清华大学教授、国家超级计算机无锡中心主任杨广文说。

神威太湖之光使用的cpu和神威蓝光使用的cpu是同一个系列——神威自主研发。杨广文解释道:“申威系列的技术路线相对清晰稳定,上一代‘申威’CPU的申威蓝光的使用为申威太湖之光的发展铺平了道路。”

神威系列超级计算机和“神威”系列芯片均来自无锡江南计算技术研究所。2003年,当中国自主开发的超级计算机仍处于数万亿级阶段时,江南计算技术研究所开始设计自己的高性能芯片,以解决超级计算机、国防和信息安全中的芯片难题。

超级计算机技术内涵丰富,涉及到建筑、通信、存储和集群等多个领域。然而,在高水平的竞争中,芯片仍然是核心部分。天河二号“卡在脖子上”,在中国自主研发的matrix-2000加速器的帮助下于2018年升级。

目前,超级计算机领域的竞争焦点是电子级超级计算机(每秒100亿次)的研发。为此,中国正在准备三个方案,都使用国产cpu和加速器。

1978年,由于“玻璃屋”,中国研究人员走上了独立开发超级计算机的道路。现在中美关系紧张,美国已经把芯片锁在“玻璃房”里。竞争的内容在变化,但保持不变的是,只有掌握了核心技术,一个人才能不受他人控制。

关键参考:

电脑新闻:中国第一台超级电脑

人们:还记得中国巨型飞机之父慈云贵吗

阿米尔:2018年超级计算机研究报告

中国科学院的黎明:三步走背后的故事

永远站在潮流上,在波浪中前行——庆祝中国科学院计算研究所成立45周年

“863”计划:一个伟大科技项目的前后

回顾与展望——863程序中高性能计算的实践

这个“超级大脑”对中国国防来说就像“两颗炸弹和一颗星”一样重要!

超级计算机世界排名:天河二号背后的故事

“神力,太湖之光”在哪里?

“神力”超越计算的启示

(本文是平西产品系列“技术创新70周年——庆祝中华人民共和国成立70周年”)

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