超級計算機到底能干啥

中國青年報·中青在線見習記者 王嘉興

除了呼呼的風扇聲，賽場一片沉寂，在場的上百名大學生緊盯著電腦，手指飛快地敲擊鍵盤。

這群平均年齡不到22歲的大學生，面對的是當下最前沿的研究：機器閱讀理解、獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電鏡技術、美國國家航空航天局(NASA)的流體力學模擬軟件……

面對海量的數據，清華大學的大四學生李北辰估算后決定調整方案，“幾乎沒法跑完”。臨到結束，他甚至能聽到自己的心臟“咚咚”地跳動。

這是2018年世界大學生超級計算機競賽(簡稱ASC18)的現場，在2天20小時的規定時間里，每個隊伍需要自己搭建小型超級計算機，完成組委會布置的4道題目，運算的結果將作為最后成績的評分依據。

李北辰隊伍搭建的機器的運算能力，約為1萬臺現在市面上主流家用電腦運算能力之和，但相比目前世界上最快的超級計算機“神威·太湖之光”，他們的算力還不到百分之一。

在幾個國家超級計算中心的超級計算機里，日夜運行著全國各地發來的運算指令。不管是天文觀測、航空模擬計算，還是天氣預報、生物醫療等日常生活的需求，都需要超級計算機的支撐。

“超級計算機的研究水平決定了一個國家的尖端科研實力。以天氣預報為例，如果計算明天天氣的時間超過一天，那這個預報就毫無意義了。”國家超級計算濟南中心主任張云泉告訴中國青年報·中青在線記者。目前中、美、日、俄等國對高性能超級計算機研究大力投入的背后，也是搶占科研制高點的競賽。

1后面17個0

這是一個以萬億為計量單位的世界。

在超級計算機領域，有著一份世界500強榜單。根據最新的排名，如果一臺機器的運算能力達不到500萬億次每秒，它將被無情地“除名”。衡量超級計算機的標準“簡單粗暴”：運算能力夠快。上一代超級計算機使用的架構與目前主流的不同，現在的技術將來也可能被量子計算機取代。

這份榜單每隔半年更新一次，總是能引起全世界的關注，人們津津樂道冠軍的更替，哪個國家上榜的超級計算機最多、總算力最高還被美國總統寫進國情咨文。

2013年至今，中國自主研發的超級計算機就一直穩坐榜首。最近兩年，這個位置屬于“神威·太湖之光”，它的峰值運算速度達到每秒12.5億億次，“1”后面17個“0”，大致相當于200萬臺普通電腦同時運行。

但它遠不止是堆積用于運算的中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)這么簡單。張云泉告訴記者，超級計算機的運算速度不遵循“1+1=2”的公式，還得考慮它們之間工作分配、數據傳輸的損耗。“這就像領導10個人和領導1000個人的區別，如果不能合理管理，每個人的工作效率都會大大降低，即每個CPU和GPU的性能都沒有得到充分運用。”

在國家超級計算濟南中心，“神威·藍光”超級計算機黑色的機箱緊密排布，圍成一個大圈，被小心安放在數百平方米的一樓大廳內。當這臺研發費用數億元的機器運轉時，功耗是1兆瓦，大致相當于1.5萬戶家庭的家電功率總和，每年僅電費一項支出就接近2000萬元人民幣。

相比國家超級計算中心的“大手筆”，李北辰參加的ACS18則要求機器總功耗在3000瓦以內，這意味著能使用的CPU、GPU數量有一個上限。

為了最大化利用它們的運算能力，他們必須精打細算，一方面仔細分配每個節點的運算內容，另一方面還要簡化復雜的運算，讓每個節點能同時計算盡可能多的內容。

在這次比賽中，他們隊伍用了16塊GPU，總價值超過60萬元人民幣。為了分攤風險，幾位隊員一人負責幾塊，小心翼翼地將這些寶貝從學校的實驗室運到比賽現場。賽前，場地上趴滿了選手，大家都在緊張地安裝和調試設備。

租用超算一天，花費上萬元

比賽開始不多久，參賽的選手就開始冒汗。除了心理因素，還因為現場設備高速運轉時，會釋放大量的熱量，隊員戲稱“可以攤雞蛋了”。每個GPU都必須配備降溫風扇，否則就會因溫度過高而停止運行。

對超級計算機來說，如何有效地帶走這些“大腦”思考時散發的熱量一度是發展瓶頸。在國家超級計算廣州中心，工程師專門建造了冷水廠，不間斷運送8攝氏度的水進入“天河二號”的水冷系統。

機房還安排人員24小時值班，監控機器的運轉狀況，清理垃圾進程，實現效率的最大化。“是機器就有損壞和出問題的概率，怎樣讓它們的影響盡可能小也是門學問。”張云泉說。

李北辰曾參加另一場大學生超算競賽，48小時不間斷地比賽，他和隊員只能輪流睡覺，保證有人時刻盯著機器運行。此外，組委會還隨機對賽場斷電，考查程序及時備份的能力。在實際使用中，這些都是極可能出現的挑戰。

中山大學腫瘤防治中心的博士后趙齊對此深有體會，他所在的團隊是最早用“天河二號”測試生物應用的團隊之一。因為需要處理大量的生物基因組數據，他們從2012年起就開始使用超級計算機。

他告訴中國青年報·中青在線記者，他曾遇到各種奇怪的報錯和任務丟失，環境配置也不定時出問題，經常算出他自己都不敢相信的結果。

這是因為生物信息領域在超級計算機上的應用還在起步階段，成熟的軟件不多，很多時候需要用戶和超算中心的工作人員合作開發解決問題。

在過去5年，光他一個人就用“天河二號”處理了超過100TB的數據。超級計算機能在幾天或幾小時里，處理一般計算機半年乃至幾年才能處理完的工作。以前，等待運算結果是他最苦悶的時候，“用上超級計算機算是奔小康了。”

因為需要處理的數據太多，網絡傳輸較慢，趙齊有時會采用郵寄硬盤的方式，“郵遞員最快”。

只是這樣的代價很高。趙齊所在的實驗室每年消耗在數據存儲上的錢就在5萬元左右。租用超級計算機進行數據處理，有時一天就會花費上萬元。

對多數用戶來說，使用超級計算機和自己的電腦沒什么區別，登錄賬號，上傳數據就行了，運算遠在千里之外進行。

超算世界500強前兩名是中國

當你拿起智能手機，向語音助手詢問天氣，遠在美國的超級計算機在不到1秒的時間里理解了你的意思。甜美的女聲播報的結果，則由濟南、廣州、無錫等多地的超級計算機共同計算得出。

大量影視公司利用它進行后期特效處理，傳統制造業也倚仗這個技術，部分公司洗衣液的瓶子都是超級計算機設計的。

有了超級計算機，研究者可以模擬出人類器官對藥物的反應，大大縮短新藥的研發時間，節省成本。在抗埃博拉病毒藥物的篩選中，超級計算機能夠在一天內完成超過4000萬分子化合物的篩選，以最快的速度應對爆發性惡性傳染病。

此外，使用超級計算機進行核爆炸模擬還是美國研究核武器的方式。

過去，超級計算機的主要任務是進行科學計算。最近幾年，有關人工智能的運算請求也越來越多。

為此，ASC競賽也開始引入人工智能的問題，李北辰打比方說，過去他們的工作類似于計算式子的結果，但現在，他們更像是在做應用題，要先讀懂問題，從中抽象出式子，再進行計算。

目前，“天河二號”的用戶已經超過1200家，包括各大高校、研究所，支撐國家級課題超過400項。

2001年時，超級計算機500強名單中沒有一臺來自中國。而現在，榜單前兩名都被中國占據。此外，中國的上榜數量達到204，排名第二的美國只有143。

2015年，美國開始對中國超級計算機領域施行芯片禁運，在那以前，美國對中國出口超級計算機也有諸多限制，例如出售的機器性能不能高于中國自己所能研發的機器性能。

張云泉告訴記者，我國已經掌握超級計算機的制造技術，包括“神威·太湖之光”“神威·藍光”的一系列設備，從芯片、操作系統到冷卻系統都完全由我國自主研發。

雖然中國在硬件條件上取得領先地位，但軟件方面仍需要大量的投入。目前應用于超級計算機的商用軟件幾乎全部由美國、日本等國開發，中國的市場占有率基本為零。

“應用于超算的生物信息學軟件開發起來舉步維艱。”趙齊感慨，“人才缺口很大。”他所在的專業，很多人都放棄使用“天河二號”，因為學習和溝通成本太高。他覺得，超算中心應該做更多對超算技術的科普和培訓。

在計算機科學領域，超級計算機不是熱門方向。李北辰的同學中，每年只有10%左右的同學對這個方向有興趣，多數人還是投身人工智能的研究。

在張云泉看來，解決軟件問題需要政策和財政兩方面的支持。“西方國家在超算領域多是制訂10-20年的計劃，背后有點軍備競賽的意思。但中國一直是制訂5年計劃，完成后再討論下一個5年要不要繼續。這樣規劃不夠長遠，技術團隊也難以保持穩定。”

他介紹，我國對超級計算機領域研究的總投入與美國接近，但對軟件的投入偏低，目前僅占總投入的20%。他認為，這個比例應該到50%比較合適，美國、日本也是這個比例。

“美國對超級計算機的研究已經超過了50年，而我國才剛剛30年，我們需要多一些耐心。”張云泉說，“過去我們是跟在別人后面跑，就只顧得上追了。現在我們超前了，該看清前進的方向，這比追趕花功夫得多。”

[責任編輯：楊凡、費燕妮]

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