(9)天河2號性能遠超業(yè)界預(yù)計
超級計算機已經(jīng)變成‘國之重器’,世界各國在超級計算機的研制上競爭激烈。2010年時,我國研制的首臺千萬億次超級計算機“天河一號”曾在全球TOP 500超級大型計算機排行榜中排名第一,但在2011年時被日本最新研發(fā)的超級計算機“京”超越了。到了2012年,美國的“泰坦”又超越了日本的“京”。
超級計算機含六個超級,即計算速度超級快、存貯容量超級大、體積占地超級大、通信能力超級強、耗電數(shù)量超級多、研發(fā)造價超級貴。目前,超級計算機的應(yīng)用已與國計民生密不可分。它的應(yīng)用多與國家重大工程相關(guān),比如日本的‘京’,主要用于地震海嘯預(yù)測、生命科學、新藥研制,而美國的‘泰坦’主要用于研究氣候變遷、核研究、材料科學等等。
對于天河二號2013年世界奪冠,業(yè)內(nèi)反響既驚訝又平靜。驚訝是因為天河二號的研發(fā)速度和性能,遠遠超出了業(yè)界預(yù)計;平靜則是因為,中國在超級計算機領(lǐng)域的技術(shù)實力,已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)認可。
如果說機床是制造機械的機械,那么超級計算機就是實驗室的實驗室,它代表中國從簡單制造、高端制造到產(chǎn)品自主創(chuàng)新這一從產(chǎn)業(yè)鏈低端向上游攀登的發(fā)展趨勢。超級計算機不僅代表了最高科技,同時也是中國進行基礎(chǔ)學科研究、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、走創(chuàng)新型道路的重要“實驗室”,其帶來的長遠社會經(jīng)濟效益不可估量。
應(yīng)用超級計算機的基本原理是通過建立虛擬模型,對原本需要進行物理世界實驗驗證的理論、數(shù)據(jù)和產(chǎn)品進行模擬實驗。在現(xiàn)代的物理、化學、生物等產(chǎn)生諾貝爾獎的基礎(chǔ)學科領(lǐng)域,做研究均離不開用超級計算機機進行模擬實驗。
超級計算機的應(yīng)用還與普通人日常生活息息相關(guān)。人們使用的手機、電腦等都可通過超級計算機的模擬進行優(yōu)化和改良。最明顯的一個例子是汽車模型設(shè)計,用傳統(tǒng)的方法,設(shè)計一款新車型,從樣品到投入生產(chǎn),大概需要依次建造80個模型。如果用超級計算機機來設(shè)計,在建立模型之后,通過修改幾個參數(shù),就可以完成所有撞擊測試,精確度達到90%。在這樣的測試基礎(chǔ)之上,只要再按照最后模型進行七八次現(xiàn)實樣車測試,就能誕生一款新車。
在節(jié)能環(huán)保和氣候變化領(lǐng)域,超級計算機也大有可為。發(fā)電機、鼓風機等所有流體葉輪的形狀,都涉及最佳能效問題。據(jù)粗略統(tǒng)計,葉輪機械耗電占耗電總量的約1/3。如果通過超級計算機模擬流體機械效能,能提高這些機械哪怕一個百分點的能效,就可以減少巨大的能源浪費。
以前進行氣候變化談判時,中國二氧化碳排放對大氣的影響只能聽從其他國家模擬測定的數(shù)據(jù)。自從中國科學家用天河一號建立了氣候變化模型,中國不僅拿出了自己的氣候影響依據(jù),而且建立的模型還成為國際公認的模型標準,為中國在該領(lǐng)域贏得了話語權(quán)。
機器有了,如何把機器應(yīng)用起來,真正發(fā)揮創(chuàng)新功能,是接下來主要努力方向。超級計算機應(yīng)用領(lǐng)域很廣,這表明不同領(lǐng)域都要有專門的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)相應(yīng)功能。隨著中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,目前市場對超級計算機應(yīng)用的需求在不斷增加。
(10) 百億億次超算挑戰(zhàn)依舊艱巨
研發(fā)具有百億億次浮點計算能力(Exaflops)的超級計算機機堪稱全球超級計算機研發(fā)人員當下的一個共同目標,理所當然,百億億次超級計算機是本屆國際超級計算機咨詢委員會中國研討會最重要的話題。
美國俄亥俄大學Dhabaleswar k. Panda教授表示,十萬億次 (100Fflops)超級計算機有望問世,百萬億次超算則要到2018年左右。對于百億億次超算系統(tǒng),除了運算能力要達到百萬萬億次,實際上還有多個具體衡量指標,而百億億次超算機則主要面臨來自能耗、內(nèi)存、彈性等多方面的挑戰(zhàn)。在Panda看來,Infini Band RDMA在超級計算機和大數(shù)據(jù)中的發(fā)展勢頭越來越好;在邁向百億億次超算的路上,在MPI+PGAS上需要新的解決方案以支持GPU和加速器。同時,針對大數(shù)據(jù)環(huán)境的re-design軟件庫也需要新的解決方案以充分利用InfiniBand和RDMA技術(shù)。
美國MPI指導(dǎo)委員會委員、Mellanox公司Richard Graham教授也談到了百億億次超級計算機在架構(gòu)上面臨的挑戰(zhàn)。Graham預(yù)測,隨著高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展,到2017年帶寬有望達到200Gb/s,延遲則低于0.5微秒。
學術(shù)界的科研人員分享了他們在超級計算機上的最新研究成果。例如,就怎么改進超級計算機中的存儲控制器的問題,北京大學信息學院計算機系副主任、博士生導(dǎo)師陳一峯在其演講《數(shù)據(jù)域地址傳輸粒度間動態(tài)調(diào)整》中介紹了一種數(shù)據(jù)與地址公用引腳自適應(yīng)調(diào)整訪存粒度的方法。該方法應(yīng)用于多核/眾核處理器,其特征是,采用數(shù)據(jù)與地址公用處理器芯片引腳的方式,處理器根據(jù)并行線程發(fā)出的訪存指令調(diào)節(jié)程序運行期間數(shù)據(jù)信息傳輸與地址信息傳出的比例,使得運行時程序發(fā)出的粗粒度訪存為主的情形下自動減少地址信息傳輸,在細粒度訪存為主的情形下自動增加地址信息,達到自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)的作用。
上海交通大學超級計算機中心副主任林新華則分享了在上海交大超級計算機“ ”Directive-based編程經(jīng)驗。類似OpenMP和OpenACC這樣的Directive-based編程環(huán)境,為應(yīng)用程序開發(fā)者提供了高層次的有效編程方法。在其主題演講中,林新華介紹他們在超級計算“ ”上的性能研究成果?!?”是上海交大超算中心的超級計算機,擁有Nvidia kepler和英特爾Knignts Corner兩張眾核加速平臺。