報道時間：2018-07-13
媒體來源：河北新聞網
□記者 張懷琛
當前，全球超算領域你追我趕，正加緊競跑步伐。而超算PK的指標已經不再只限于絕對計算能力，而是更側重于能效比、應用等“實用性指標”。
最新統計顯示，中國的超算系統總數以206套位居世界第一。中國超算專家錢德沛最近在接受媒體采訪時表示，促進大規模應用、解決國家面臨的挑戰性問題、帶動中國計算機產業的進步，才是中國發展超算更重要的目的。
E級超算：“耐力賽”的下一個“賽點”
“超級計算機，顧名思義，其基本組成組件與個人電腦沒有太大差異，但規格與性能卻要強大許多，主要表現為高速度和大容量，并配有多種外部和外圍設備，以及豐富、高功能的軟件系統。”石家莊鐵道大學復雜網絡與可視化研究所副教授王威說，超級計算機多用于國家高科技領域和尖端技術研究，是國家科技發展水平和綜合國力的重要標志，被譽為計算機中的“珠穆朗瑪峰”。
此前，憑借每秒9.3億億次的浮點運算速度，“神威·太湖之光”曾連續4次蟬聯全球超級計算機500強榜單冠軍。
“人類對于計算能力的渴求是無止境的，甚至可以說是‘貪婪的’，也正因如此，超級計算機的設計、建設和使用更像一場沒有終點的馬拉松。”王威說，目前，中國超算正持續增加，其躋身500強榜單的總數單已由2017年的201套增至如今的206套。”
在眾多超算領域的專家看來，超算這場“耐力賽”的下一個“賽點”已經逐漸明確，全球都將目光不約而同地投向了E級超算。
所謂E級超算，是指運算速度超過每秒100億億次浮點運算的超級計算機。憑借其龐大的計算能力，它將在解決人類共同面臨的能源危機、污染和氣候變化等重大問題上發揮巨大作用，是公認的超級計算機界的下一頂皇冠。
“E級超算可用于模擬全球氣候變化、宇宙演化，處理天體物理大數據，驗證新型材料等重大計算需求。”王威說。
加快布局下一代超算，我國也已將E級超算寫入了“十三五”規劃，正在部署解決超級計算機的軟硬件核心問題。王威說：“對我們而言，相比關注排名變化，更重要的還是腳踏實地地往前發展。”
新的挑戰：降低能耗提升效率
想要研制出E級超算，科學家們面臨著很多現實挑戰。其中，首當其沖的便是功耗過高。
王威舉了一個很有趣的例子：在Google中，用戶只要輸入一個關鍵字，再鍵入回車就可以得到他想要的結果。有人曾做過計算，就是這樣一個不起眼的搜索動作，所消耗的電能就足夠一個11瓦的節能燈亮15分鐘到1個小時。
在王威看來，百億億次超級計算機的建造難度，不僅在于速度的提升，更在于對大規模超算設備的功耗要求。“按照國際公認標準，E級超算的功耗應低于20MW。”他說，根據這一目標要求，未來E級超算的能效比要達到50GFlops/W，而“神威·太湖之光”只有6GFlops/W，相差了一個數量級。
不只是中國，全球超算領域的科學家們幾乎都在為如何降低功耗而傷透腦筋。
“圍繞解決這一難題，近些年，操著不同語言的科學家們進行了很多有益嘗試，比如，讓存儲器更接近計算器、讓高性能存儲器向三維擴展、超算與閃存結合、在芯片不使用時關閉其中的電路、改變電壓或頻率等來節省功率，都取得了一定成效。”王威說，但要真正降低能耗，還需要來一場制造工藝的革命性突破。
除此之外，全球超算競爭中，我國亟須跑贏的另一個“賽道”，便是如何更有效地利用超算。
王威用“搬磚”做了個形象說明：100塊磚，一個人1趟搬1塊，需要往返跑100次，而如果有100個人同時搬，只需搬1次即能全部搞定。
“‘神威·太湖之光’有1000多萬個核，使用它，就是讓1000多萬個核去解決一個問題，相當于一個人指揮成千上萬的‘人’干活，如果不能科學管理，很難實現每個‘人’工作效率的最大化。”王威說，想要超算更好用，就要不斷加強軟件設計和應用程序研發，形成超算生態，并使其不斷完善、更新。
然而，相較于超算硬件的研制，超算軟件的開發往往需要更長的時間，除了經歷科學問題建模、網格劃分、求解數學方程、算法設計、運行驗證等一系列流程外，還會涉及多種學科，過程非常復雜。
“值得高興的是，國家已經開始加強超算軟件方面的研究。”王威說，“目前，國內同時啟動了三套E級超算研發，分別為國防科大/天津超算中心的天河三號、中科曙光的E級超算以及江南所/濟南超算中心的神威E級，本著自主可控的原則，我國超級計算機的設計、建設和使用正穩步推進。”
融入生活：從天氣預報到金融服務
“提到超算，很多人都覺得太高大上了，很難將它跟自己聯系在一起。但作為一項具有戰略意義的技術，它的應用已不局限于基礎科學研究等領域，還將在生活的方方面面發揮重要作用。”王威說，最顯而易見的例子就是天氣預報。
“根據大氣的實際情況，我們在一定的條件下，通過超級計算機進行數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，就能預測未來一定時段內的大氣運動狀態和天氣現象。”王威說，比如從太平洋上空流向大陸的氣團，可能要飛行2到3天才能到達河北，氣象局利用衛星觀測數據和超級計算機，將氣團的加速度、邊界條件都計算出來，就能預測出氣團到達河北的時間與強度，再根據華北地區的氣象數據作出綜合判斷，一般在0.5小時至1小時內即可作出未來24小時的天氣預報。
怎樣才能找到并更合理地開發油氣資源？這也需要借助超算。“通過將人造地震波的回波和傳感器接收到的大量數據輸入超級計算機，再對地層結構進行分析，科學家和地質工作者們就可以獲知油氣的位置、規模并決定是否具備開采條件。”王威說。
同樣離不開超算的還有時下風頭正勁的人工智能。對我們而言，想要分辨一只貓、一條狗，只需要短短幾秒鐘、看上一眼就足夠了。但同樣的要求對機器來說，卻需要耗費大量時間，處理海量的圖片、聲音和圖像等信息進行訓練。
“由于計算機本身是無法理解圖像、聲音這些數據信息的，所以，如果想讓機器變‘聰明’，就要將實際問題先轉化為數學問題，即數學建模和求解。”王威說，“在這一過程中，科學家和計算機工程師將任務分解成多個抽象層次去處理，不同的層次間又相互疊加，即本層的輸出是高一層的輸入，同時還要完成層與層之間的監督和調度，如果沒有超級計算機的協助，是不可能完成的。”
此外，經濟發展對金融服務的要求就是“快”和“準”，比如很多人都在使用的掃碼支付，要求付款后錢要在很短的時間內到賬或記賬，且不能出錯，這種情況下，如果沒有超級計算機的支撐是不可能實現的。還有覆蓋全國的鐵路、公路、航空、船運交通網絡，對其運力的監測、調度和分配，都必須依靠超級計算機的強大算力才能實現。
在2017年11月舉行的全球超級計算大會上，由清華大學地球系統科學系副教授付昊桓等共同領導的團隊所完成的“非線性地震模擬”獲得國際高性能計算應用領域最高獎“戈登貝爾”獎。
這項成果正是基于“神威·太湖之光”超級計算機的強大計算能力完成。項目團隊成功地設計實現了高可擴展性的非線性地震模擬工具。該工具可以實現高達18.9PFlops的非線性地震模擬，也是國際上首次實現如此大規模下的高分辨率、高頻率的非線性可塑性地震模擬。該工具首次實現了對唐山大地震發生過程的高分辨率精確模擬，使得科學家可以更好地理解唐山大地震所造成的影響，并對未來地震預防預測等研究具有重要的借鑒意義。
“可以說，超算用‘快’為我們打開了一個新的數值世界。”王威說，“讓我們拭目以待‘E級應用’即將開啟的新天地吧。”
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