“天河二号：第一超算背后的故事”

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从年6月开始成为世界上最快的超级计算机，天河二号霸主的位置从未动摇过。

年6月23日，国际顶级500强组织公布了全球超级计算机500强排行榜的最新排名，天河二号以比排名第二的美国“大力神”近两倍的速度连续三次夺冠。 (注)排行榜每半年发布一次)

连续三次获得世界超级计算机冠军，给这台巨大的超级计算机带来了外部深远的乐趣。 人们渴望这种超级计算机的开发和应用现状。

天河二号是国家科技部“十二五”863重大项目立项研发项目，由国防科技大学牵头进行研发。 近300人的研发团队从年开始，历时两年多完成了研发。

天河二号之前，国防科技大学的团队于年开发了天河一号，首次使中国的超级计算机站上了世界冠军的领奖台。

但是，短短不到8个月，日本一台名叫“京”的超级计算机就将天河一号挤出了冠军台。 之后，美国开发的红杉土卫六超级计算机也坐在了世界第一的椅子上，天河一号滑落到了第八位。

事实上，当天河一号获得世界第一而受到外界称赞时，天河二号的开发事业悄然展开。 年6月，经过280多人两年多的长期研发，天河二号正式研制成功，很快夺回了超级计算机冠军的宝座。 迄今为止，天河二号已经连续三次成为世界上最快的超级计算机。

“上学的时候，最困扰、最自豪的事情就是学校停电！ ”国防科学技术大学毕业的穆童(假名)每当想起学校生活时都会这样说。 “学校的那个‘庞然大物’全速运转，全校都会停电。 不管是看电视还是玩电脑游戏，都需要接受这个事实。 校长也不例外！ ”

穆童所指的巨大的东西是天河二号，是运算能力惊人的超级计算机。 穆童还记得，这两年来，为了保障天河二号的研发工作，该校校董会专门发出通知，呼吁全校师生一起节约用电。

“在长沙30多度的夏天，国防科技大学校长、院长和学生们应号召，关掉空调等大功率电器，换成电风扇。 ”想起这一幕时，穆童的脸上一次浮现出得意的心情。

现在，国防科技大学的新生们，因为天河二号从长沙的国防科技大学转移到了广州超级计算中心，再也感受不到这场“停电”带来的自豪了。 随着专线供电，未来天河n号的研发工作可能会让全校师生们无法忍受长沙的酷暑。

天河二号经过两年多的研发完成，耗资数亿美元。 如此巨额的投资，最终当然是为了服务于国家经济建设，而不仅仅是标榜国家在超级计算机行业的能力达到了什么样的高度。

除了支持月球探测项目、载人航天等政府科研项目外，天河二号目前还在石油勘探、汽车飞机设计制造、基因测序等民用行业得到应用。

天河二号的黑色大机柜排中，装有主cpu和协处理器，共有300多万个计算核心。 因为拥有很多计算核心，所以计算速度也很惊人。

据推算，天河二号的峰值计算速度将达到每秒5亿4900万次，持续计算时的速度将达到每秒3亿3900万次。 假设每人每秒进行一次计算，“天河二号”的计算时间相当于13亿人，用计算机计算则为1000年。

专家表示，用以前流传的手段开发新车，通常需要经过数百次碰撞实验2年以上，而利用天河二号进行的模拟，则可以实现3至5次、2个月的实车碰撞。

另外，天河二号还可以应用于娱乐产业，现在用超级计算机制作动画和3d电影已成为潮流。 电影《阿凡达》动画的渲染制作花了一年多的时间。 如果使用天河二号，只需要一个月就可以制作出相当于《阿凡达》动画渲染效果的电影。

中国商用飞机设计有限企业北京研究中心利用约2.4万cpu核心开展大型民用飞机全参数气动优化设计，在天河二号上计算6天，完成了自身计算平台约2年的业务量，大大提高了优化业务效率。

华大基因网络支持和快速发展中心负责人表示，天河二号拥有强大的计算能力，以500人规模的全基因组新闻相关分析为例，华大基因利用原有计算机只需要1年，利用天河二号只需要3个小时。 华大基因是天河一号和天河二号的大商业客户。

该负责人表示，华大基因采用的生物新闻软件可以在天河二号迅速运行，无需另行编程； 而且天河二号强大的计算能力，可以更快满足华大基因大量基因数据观察所需的计算资源，节约大量分解时间。

目前，国家超算广州中心天河二号在短短几个月的运行中为120多个客户提供了300多个典型的应用计算。

更重要的是，天河二号这样的技术实际上是可以复制的。 天河二号主任设计师卢宇彤介绍说，天河一号和天河二号的技术规模小，可以应用于客户定制的“小天河”超级计算机。 “年，天河一号研制成功后，其实到了年，‘小天河’这样的系统已经宣传了11套。 ”

年9月，天河二号刚刚首次获得世界最快超级计算机的名字时，本科学技术曾采访过吕宇彤，但当时外界对天河二号的兴趣并不像今天这样高。

从目前的天河二号来看，计算节点能耗约18兆瓦，再加上散热系统总体能耗在20兆瓦以上。 正常运行的话，天河二号的年电费将超过1亿元，年耗电量约为2亿度。

针对外界对天河二号功耗高的质疑，中国科学院计算计算机体系国家要点实验室研究员张云泉表示，目前天河二号的功耗绝对值较高，但其性能也应视为高。

张云泉的意思是，天河二号单位能量的计算速度更快，这一点也应该从外部观察。

目前，天河二号的运算能耗约为1.90万亿次/秒兆瓦，落后于计算能力排名第二、三位的“泰坦”和“红杉”，但远远超过排名第四的日本“京”的0.83万亿次/秒兆瓦，位居第五位“

土卫六和红杉的计算能耗比分别为1.95万亿次/秒兆瓦和2.17万亿次/秒兆瓦，计算能耗比天河二号略高。

目前，天河二号作为世界第一的超级计算机，理论峰值性能超过5亿次/秒，但与未来实现的100亿次/秒目标仍有很大差距。

目前天河二号有1万多个计算节点，将来计划将节点数量从3万个增加到5万个。 但是，随着节点数量的增加，管理和功耗问题也变得完全突出。

“如果按照现在的趋势继续增加，100亿次/秒的超计算系统的耗电量将达到400兆瓦，是绝对不能接受的。 ”张云泉根据本科学技术，国际公认的百亿次/秒超算标准是，耗电量必须控制在20兆瓦以内。

“实际上，未来的超级计算系统需要在体系结构、硬件、软件、制冷等多个方面进行创新。 ”张云泉说。

虽然提高计算能力是一个重要课题，但应用超级计算机显然意义重大。

虽然中国已经连续4次获得超级计算机桂冠，但根据国际顶级500组织今年6月公布的最新世界超级计算机500强排行榜，美国仍是拥有超级计算机最多的国家，在500强中占有233席， 中国有76台超级计算机进入最新的500位，居世界第二位。 排在第3到第6位的分别是日本、英国、法国和德国。

目前，中国国家级超算中心有天津中心、济南中心、长沙中心、深圳中心及广州超算中心。 这些超算中心承担着超算宣传和应用的任务。

据业内人士介绍，从运行时间来看，国内超计算中心的资源利用率一般在70%以上，有些甚至超过80%。 相比之下，国外超级计算中心的利用率一般在60%左右。 但是，受限于软件开发和APP支持，国内超级计算机运行时的资源利用率低下。

上海超计算中心主任奚自立在去年接受本科学技术采访时表示，上海超计算中心拥有200万亿次的计算能力，但只有20-30%的计算任务可以扩展到10万亿次，20-30%的计算任务可用的计算能力不足2万亿次。 很多计算资源由于应用问题而无法实际使用，造成了一定的浪费。

关于应用滞后的问题，国家863计划“高性能计算机及其核心软件”重要专业组组长钱德拉佩教授指出，这主要有三个原因:中国开展超级计算机业务的时间还很短。 第二，超级计算机人才匮乏第三，中国的软件快速发展体制存在问题，没有人会因为盗版等因素进行大规模的APP开发。

他表示，“十一五”期间，国家在超级计算机项目上投资了9.4亿元，但实际用于APP开发的费用还不到1亿元。 “应用瓶颈是一个工艺问题，未来这个问题还将长期存在。 ”

浪潮集团高性能服务器产品部总经理刘军认为，国内超级计算机的快速发展速度超过了APP和人才方面的增长速度，超级计算机的硬件和APP之间产生了巨大的差距。 而且，这一差距的存在，使国内公司和机构对人才培养和超级计算机的应用开发更有紧迫感。 ？

来源：企业信息港