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“天河二号”超级计算机机房视觉中国供图 除了呼呼的风扇声，赛场一片沉寂，在场的上百名大学生紧盯着电脑，手指飞快地敲击键盘。 这群平均年龄不到22岁的大学生，面对的是当下最前沿的研究：机器阅读理解、获2017年诺贝尔化学奖的冷冻电镜技术、美国国家航空航天局（NASA）的流体力学模拟软件…… 面对海量的数据，清华大学的大四学生李北辰估算后决定调整方案，“几乎没法跑完”。临到结束，他甚至能听到自己的心脏“咚咚”地跳动。 这是2018年世界大学生超级计算机竞赛（简称ASC18）的现场，在2天20小时的规定时间里，每个队伍需要自己搭建小型超级计算机，完成组委会布置的4道题目，运算的结果将作为最后成绩的评分依据。 李北辰队伍搭建的机器的运算能力，约为1万台现在市面上主流家用电脑运算能力之和，但相比目前世界上最快的超级计算机“神威·太湖之光”，他们的算力还不到百分之一。 在几个国家超级计算中心的超级计算机里，日夜运行着全国各地发来的运算指令。不管是天文观测、航空模拟计算，还是天气预报、生物医疗等日常生活的需求，都需要超级计算机的支撑。 “超级计算机的研究水平决定了一个国家的尖端科研实力。以天气预报为例，如果计算明天天气的时间超过一天，那这个预报就毫无意义了。”国家超级计算济南中心主任张云泉告诉中国青年报·中青在线记者。目前中、美、日、俄等国对高性能超级计算机研究大力投入的背后，也是抢占科研制高点的竞赛。 1后面17个0 这是一个以万亿为计量单位的世界。 在超级计算机领域，有着一份世界500强榜单。根据最新的排名，如果一台机器的运算能力达不到500万亿次每秒，它将被无情地“除名”。衡量超级计算机的标准“简单粗暴”：运算能力够快。上一代超级计算机使用的架构与目前主流的不同，现在的技术将来也可能被量子计算机取代。 这份榜单每隔半年更新一次，总是能引起全世界的关注，人们津津乐道冠军的更替，哪个国家上榜的超级计算机最多、总算力最高还被美国总统写进国情咨文。 2013年至今，中国自主研发的超级计算机就一直稳坐榜首。最近两年，这个位置属于“神威·太湖之光”，它的峰值运算速度达到每秒12.5亿亿次，“1”后面17个“0”，大致相当于200万台普通电脑同时运行。 但它远不止是堆积用于运算的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）这么简单。张云泉告诉记者，超级计算机的运算速度不遵循“1+1=2”的公式，还得考虑它们之间工作分配、数据传输的损耗。“这就像领导10个人和领导1000个人的区别，如果不能合理管理，每个人的工作效率都会大大降低，即每个CPU和GPU的性能都没有得到充分运用。” 在国家超级计算济南中心，“神威·蓝光”超级计算机黑色的机箱紧密排布，围成一个大圈，被小心安放在数百平方米的一楼大厅内。当这台研发费用数亿元的机器运转时，功耗是1兆瓦，大致相当于1.5万户家庭的家电功率总和，每年仅电费一项支出就接近2000万元人民币。 相比国家超级计算中心的“大手笔”，李北辰参加的ACS18则要求机器总功耗在3000瓦以内，这意味着能使用的CPU、GPU数量有一个上限。 为了最大化利用它们的运算能力，他们必须精打细算，一方面仔细分配每个节点的运算内容，另一方面还要简化复杂的运算，让每个节点能同时计算尽可能多的内容。 在这次比赛中，他们队伍用了16块GPU，总价值超过60万元人民币。为了分摊风险，几位队员一人负责几块，小心翼翼地将这些宝贝从学校的实验室运到比赛现场。赛前，场地上趴满了选手，大家都在紧张地安装和调试设备。 租用超算一天，花费上万元 比赛开始不多久，参赛的选手就开始冒汗。除了心理因素，还因为现场设备高速运转时，会释放大量的热量，队员戏称“可以摊鸡蛋了”。每个GPU都必须配备降温风扇，否则就会因温度过高而停止运行。 对超级计算机来说，如何有效地带走这些“大脑”思考时散发的热量一度是发展瓶颈。在国家超级计算广州中心，工程师专门建造了冷水厂，不间断运送8摄氏度的水进入“天河二号”的水冷系统。 机房还安排人员24小时值班，监控机器的运转状况，清理垃圾进程，实现效率的最大化。“是机器就有损坏和出问题的概率，怎样让它们的影响尽可能小也是门学问。”张云泉说。 李北辰曾参加另一场大学生超算竞赛，48小时不间断地比赛，他和队员只能轮流睡觉，保证有人时刻盯着机器运行。此外，组委会还随机对赛场断电，考查程序及时备份的能力。在实际使用中，这些都是极可能出现的挑战。 中山大学肿瘤防治中心的博士后赵齐对此深有体会，他所在的团队是最早用“天河二号”测试生物应用的团队之一。因为需要处理大量的生物基因组数据，他们从2012年起就开始使用超级计算机。 他告诉中国青年报·中青在线记者，他曾遇到各种奇怪的报错和任务丢失，环境配置也不定时出问题，经常算出他自己都不敢相信的结果。 这是因为生物信息领域在超级计算机上的应用还在起步阶段，成熟的软件不多，很多时候需要用户和超算中心的工作人员合作开发解决问题。 在过去5年，光他一个人就用“天河二号”处理了超过100TB的数据。超级计算机能在几天或几小时里，处理一般计算机半年乃至几年才能处理完的工作。以前，等待运算结果是他最苦闷的时候，“用上超级计算机算是奔小康了。” 因为需要处理的数据太多，网络传输较慢，赵齐有时会采用邮寄硬盘的方式，“邮递员最快”。 只是这样的代价很高。赵齐所在的实验室每年消耗在数据存储上的钱就在5万元左右。租用超级计算机进行数据处理，有时一天就会花费上万元。 对多数用户来说，使用超级计算机和自己的电脑没什么区别，登录账号，上传数据就行了，运算远在千里之外进行。 超算世界500强前两名是中国 当你拿起智能手机，向语音助手询问天气，远在美国的超级计算机在不到1秒的时间里理解了你的意思。甜美的女声播报的结果，则由济南、广州、无锡等多地的超级计算机共同计算得出。 大量影视公司利用它进行后期特效处理，传统制造业也倚仗这个技术，部分公司洗衣液的瓶子都是超级计算机设计的。 有了超级计算机，研究者可以模拟出人类器官对药物的反应，大大缩短新药的研发时间，节省成本。在抗埃博拉病毒药物的筛选中，超级计算机能够在一天内完成超过4000万分子化合物的筛选，以最快的速度应对爆发性恶性传染病。 此外，使用超级计算机进行核爆炸模拟还是美国研究核武器的方式。 过去，超级计算机的主要任务是进行科学计算。最近几年，有关人工智能的运算请求也越来越多。 为此，ASC竞赛也开始引入人工智能的问题，李北辰打比方说，过去他们的工作类似于计算式子的结果，但现在，他们更像是在做应用题，要先读懂问题，从中抽象出式子，再进行计算。 目前，“天河二号”的用户已经超过1200家，包括各大高校、研究所，支撑国家级课题超过400项。 2001年时，超级计算机500强名单中没有一台来自中国。而现在，榜单前两名都被中国占据。此外，中国的上榜数量达到204，排名第二的美国只有143。 2015年，美国开始对中国超级计算机领域施行芯片禁运，在那以前，美国对中国出口超级计算机也有诸多限制，例如出售的机器性能不能高于中国自己所能研发的机器性能。 张云泉告诉记者，我国已经掌握超级计算机的制造技术，包括“神威·太湖之光”“神威·蓝光”的一系列设备，从芯片、操作系统到冷却系统都完全由我国自主研发。 虽然中国在硬件条件上取得领先地位，但软件方面仍需要大量的投入。目前应用于超级计算机的商用软件几乎全部由美国、日本等国开发，中国的市场占有率基本为零。 “应用于超算的生物信息学软件开发起来举步维艰。”赵齐感慨，“人才缺口很大。”他所在的专业，很多人都放弃使用“天河二号”，因为学习和沟通成本太高。他觉得，超算中心应该做更多对超算技术的科普和培训。 在计算机科学领域，超级计算机不是热门方向。李北辰的同学中，每年只有10%左右的同学对这个方向有兴趣，多数人还是投身人工智能的研究。 在张云泉看来，解决软件问题需要政策和财政两方面的支持。“西方国家在超算领域多是制订10~20年的计划，背后有点军备竞赛的意思。但中国一直是制订5年计划，完成后再讨论下一个5年要不要继续。这样规划不够长远，技术团队也难以保持稳定。” 他介绍，我国对超级计算机领域研究的总投入与美国接近，但对软件的投入偏低，目前仅占总投入的20%。他认为，这个比例应该到50%比较合适，美国、日本也是这个比例。 “美国对超级计算机的研究已经超过了50年，而我国才刚刚30年，我们需要多一些耐心。”张云泉说，“过去我们是跟在别人后面跑，就只顾得上追了。现在我们超前了，该看清前进的方向，这比追赶花功夫得多。” |
