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“神威·太湖之光”:超算人的“新盘算”
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  • 时间:2019-11-03 07:39:26|

荔枝新闻作家/王晟·高志鹏视频/高志鹏

拥有1000多万个内核和每秒10亿次以上的峰值计算能力,连续四次荣膺“全球500强超级计算机”,并连续两次获得高性能计算应用领域的最高荣誉——戈登·贝尔奖。中国自主研发的“神威太湖之光”超级计算机自2017年问世以来,不断刷新国际高性能计算和应用领域的新记录,使全球同行更加关注中国在超级计算领域的进步和突破。

从20世纪50年代开始,到20世纪80年代超级计算机第一次以每秒上亿次的速度成功开发,到国内第一次获得世界超级计算宝座的天河二号,再到2016年国内多核处理器的“神威太湖之光”崭露头角,中国的超级计算在世界高性能计算领域实现了从“跟随”到“领先”的飞跃。

在新中国成立70周年之际,荔枝记者来到位于太湖岸边的国家超级计算中心无锡中心,观看国内超级计算大脑的新发展,并聆听“超级计算人”对未来的新计算。

超级大脑,超级尺寸,超级可靠性

1946年2月14日,世界上第一台计算机eniac在美国问世。它占地170平方米,重30吨,腹部有18,000个电子管,消耗巨大的能量,计算能力为5,000次加法/秒运算。

如今,这种数据处理能力不如更好的“老人手机”。

然而,自埃尼亚克(Eniak)诞生以来,计算机技术已经成为国防、科学研究和经济建设领域最重要的技术支撑。计算机科学和计算机产业的发展程度已经成为衡量一个国家综合国力的重要指标。

今天,大国仍在开发和使用覆盖数百平方米的超级计算机——它们的计算能力已经达到每秒10-20亿次,它们是解决重大科学和工程问题的战略资源。

荔枝记者到达国家超级计算机无锡中心,穿上防尘服装和鞋子,走进了1000平方米的“神威太湖之光”的巨大机房。

这台超级计算机于2016年问世,由40个计算机机柜和8个网络机柜组成。每个电脑柜的大小相当于家用双门冰箱,内含1024个国产“神威26010”芯片。每个芯片包含260个内核。“太湖之光”拥有近1100万个内核,也是世界上计算内核数量最多的超级计算机。

“超级大脑”具有每秒12.5亿次的峰值计算能力,一度是世界上最高的。

国家超级计算机无锡中心主任杨广文做了一个形象类比:它的一分钟计算能力需要全世界72亿人同时连续使用计算器32年。

除了出色的表现,杨广文更重视完全由自己开发的“太湖之光”。它已经实现了“关键技术、自我控制”——国家最重要的设备,而且必须完全可靠。

国家超级计算机无锡中心主任杨广文

看到风水了吗?你怎么能不超过“大师”

“太湖之光”拥有数千万个计算核心,而不是一次一个。一些项目可能会分配数百万次核计算。

对于大型项目,可能需要分配一半的计算资源,这被称为“半机器计算”。

面对更复杂的项目,我们必须“集中精力解决重大问题”,并使整个机器投入运行。

例如,“看看风水。”

国家超级计算机无锡中心并行优化部主任刘钊自国家超级计算机无锡中心成立以来,一直参与各种重大项目应用。他介绍说,其中许多应用与天气和气候有关。由国家相关单位和科研机构联合主办的“太湖之光”等项目“全球大气非静态云模拟”和“高分辨率大气模型”曾参加“戈登·贝尔”奖。

所谓的“蝴蝶拍动翅膀可能会在几千英里外引发龙卷风”。气象学的要素是不断变化的,包括极其复杂的气象学、热力学、流体力学等方程。数据来自天空中的几颗卫星,对地面上众多雷达和观测站的实时监测不断更新。海量数据需要极高的计算速度和精度。

你可能已经注意到最近几年的天气预报越来越准确了,准确到什么时候下雨,什么地方会有大雨和大风等等。在气象学中,这被称为高分辨率的精细预测。

超级计算机对此非常重要。

《荔枝核新闻》获悉,2011年,中国天河一号超级计算机将气象观测精度提高到10万公里,神威蓝光超级计算机达到1万公里的精度,神威太湖之光能够将精度降低到几公里。

刘钊介绍说,国内一家风力发电企业在气象领域看到了“太湖之光”的“魔力”,并主动邀请他们解决风机选址问题。

现在国家超级计算机无锡中心已经帮助他们开发了一套“风力资源预测系统”。在分析过去几十年国家气象和气候资料的基础上,对分辨率高达3公里的国家气象资源进行了预测。它可以帮助风力发电企业在预定的区域内选择最合适的地点放置风机。例如,在一座山上,无论是山顶还是山腰,决策不再基于经验,而是基于数据。

该系统甚至可以预测一年中任何一天的总风向和风速,便于及时调整风机运行,最大限度地提高风力发电的实际效率和经济效益,为国家节能减排做出更大贡献。

除了计算风,“太湖之光”还可以测量水。刘钊介绍的另一个应用是全球高分辨率地球系统模型研究,该研究是2018年8月与青岛海洋国家重点实验室合作开始的。目标精度为3公里分辨率,时间跨度为500年。

这是一个长期的项目,每天借助600多万个“太湖之光”核心进行连续计算。到目前为止,这个项目已经持续了一年。

科学家希望与世界各地的海洋学家和气候学家分享这项研究获得的数据,以加强我们对海洋、大气系统和全球气候的了解,从而指导未来应对气候变化的努力,更好地造福人类。

这些领域也是超级计算的优势。

2016年至2017年,“神威太湖之光”因在气候和地震等科学问题上的研究和应用,连续两次获得“戈登·贝尔奖”。

评委给出的理由之一是最好的机器应该解决最重要、最关键和最实际的问题。

自2016年以来,“神威太湖之光”与国内外多所大学、研究机构和企业开展了广泛合作,涵盖天气与气候、地球科学、海洋环境、材料设计、生物制药、航空航天、图形计算、量子计算、生命科学、天体物理等多个行业。在先进制造、船舶、3d电影、能源、国防等领域,也推出了全面布局。

清华大学副教授黄振春说:“过去,动画电影的潮流只是一条蓝丝带。”。为了使它更真实,动画和电影制作公司已经使用“农场”方法一帧一帧地提炼图像。所谓的农场是无数台电脑,每台电脑都由专业人士一点一点地调整。一秒钟播放24帧图片,每帧图片需要在后期制作过程中渲染,同时需要24台机器渲染图片,既费时又费力,效率低下。

依靠超级计算机,你可以同时渲染成千上万张图片。过去在后期制作一部卡通电影需要一年的时间,但现在可能只需要一个月。有了超级计算的祝福,动画质量也可以更精细,比如增加更多的元素,比如风和光的反射。让曾经在屏幕上流动的“蓝带”变成一条清澈的河流,一路溅起水花,将船向前推进。

在人工智能领域,“神威太湖之光”也有很大潜力。超级计算机人工智能平台等项目正在进行中。杨广文主任认为,超级计算机会是所谓大数据、深度学习和智能计算的核心。

“需要向每个人解释的是,太湖之光并不擅长人工智能的所有实际应用,它可以专门从事某些类型的项目。”杨局长强调,未来,根据国家对人工智能的需求,超级计算机将在芯片设计和系统建设方面更贴近实际需求。

让更多的人分享过度开发的好处。

无锡国家超级计算机中心的所有年轻人都充满活力。然而,外人很难想象他们工作的速度和压力。从2015年的酷热到系统建设,我们仍然每天晚上在明亮的灯光下加班。这些年轻人的超人形象似乎像太湖的魔力一样努力工作。

据统计,在过去的三年里,无锡中心致力于支持国家的主要和具有挑战性的应用需求。依托“神威太湖之光”,无锡中心完成了100多项应用任务计算和800多万项任务分配,平均每天完成近万项任务分配。

面对未来,超级计算机用户仍然有他们自己更大的“计算”:

首先是改善国内超级计算机的生态,这是杨广文主任从一开始就设定的目标。

“神威太湖之光”技术先进、硬件一流,但仍存在应用软件开发不足、配套人才匮乏等问题。例如,系统软件与客户的软件和操作环境不匹配,这将增加大量额外的工作负载。这需要优化软件生态,同时继续增强硬件平台。

杨广文说:“生态应用得越好,顾客就越多。顾客越多,生态越好。这为国内超级计算带来了良性循环。”

他的另一个目标是推广“神威”系列小型计算机。成功研制了一台配备国产多核处理器的小型化工作站“神威小型机”。它可以在需要保密或不需要太多计算的企业、大学和科研机构中执行常规项目操作。

未来,国内超级计算机将在越来越多的科学研究和技术创新中显示出“魔力”,超级计算机应用也将更多地用于解决日常生活中的各种问题,让更多的人感受和分享我国超级计算机发展的成果。

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