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超算系统应用比计算机本身更重要

我要评论来源:吕梁新闻网 2019/6/12 22:38:31 

  ●从建设超级计算机的角度来讲,中国和日本、美国以及欧洲的水平其实不相上下,但在建设思路上,中国却与其他国家截然不同。欧美国家一般是先考察超级计算机在各领域的需求,根据实际应用开始有针对性的研发和制造;而我国则将重点放在提升超级计算机的各项计算能力上,然后再考虑实际应用。

  ●资源不足和资源利用不充分的现象同时存在,资源的单位拥有和资源的共享使用之间矛盾突出,严重制约了中国国家网络服务环境的可持续发展。

  ●我国超级计算机使用的领域还比较窄,许多领域的应用软件是从美国购买的,这大大限制了我国超级计算机的发展。

  一年一度的国际高性能计算大会日前在德国法兰克福再度拉开帷幕。大会第一天公布的全球超级计算机500强榜单,来自中国无锡超算中心的神威太湖之光超级计算机力压群雄,获得了冠军。这引起了社会的广泛关注。对此,多位专家建议,应以此为契机,建立健全超算研发机制,扭转我国超算产业应用不够的局面,将“制好”优势转化为“用好”优势,在解决国防与科学重大需求的同时,带动产业创新与开放。

  太湖之光实现国产

  独揽三项第一

  据悉,“神威·太湖之光”是全球第一台运行速度超过10亿亿次/秒的超级计算机,峰值性能高达12.5亿亿次/秒,持续性能达到9.3亿亿次/秒,接近“天河二号”的3倍。打个比方说,“神威·太湖之光”一分钟的计算能力,相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。

  神威太湖之光有40个运算机柜和8个网络机柜组成。每个运算机柜比家用的双门冰箱略大,打开柜门,4个由32块运算插件组成的超节点分布其中。每个插件由4个运算节点板组成,一个运算节点板又含2块“申威26010”高性能处理器,整台“神威·太湖之光”共有40960块处理器。

  在本次榜单中,记者注意到中国军团的崛起。从各国系统上榜的数量来看,中国系统数量首次超过美国,达到了167台。而在上榜超算品牌方面,惠普以127台超算高居榜首,紧随其后的联想为84台,接下来是Cray的67台和中科曙光的51台,IBM以38台设备排名第五。

  需要指出的是,“神威·太湖之光”是首次完全用“中国芯”制造的中国最强大的超级计算机,此前“天河二号”使用的是英特尔至强处理器和Xeon Phi协处理器。2015年12月,“神威·太湖之光”在国家“863计划”支持下,科技部、江苏省、无锡市共同出资17.95亿。如今,只有5厘米见方的薄块“申威26010”,成了“神威·太湖之光”的心脏。

  “长期受制于人的被动与屈辱,使我国下决心研发自主知识产权的‘神威\\’系列超级计算机。”有业内人士表示,他透露,2015年4月,美国政府宣布,把与超级计算机相关的4家中国机构列入限制出口名单,其目的是想限制中国超级计算机的发展。这直接导致采购英特尔处理器的“天河二号”未能如期完成攻关目标。“如今,‘中国芯\\’‘申威26010’成了我国自主研发打破30年技术封锁的一柄利器。”该业内人士感慨。

  毫无疑问,在运算速度上,神威太湖之光让天河二号也“屈居”第二;在性能和能耗的比值上,太湖之光也能在Green500的榜单上名列前茅。更让世人眼前一亮的是,被称作超算应用领域诺贝尔奖的“戈登贝尔”奖,从1987年建立以来,中国团队从未入围。今年,基于“神威·太湖之光”系统的三项全机应用已经入围,占全部入围数量一半。三项应用分别为中科院软件所与清华大学、北师大合作的“全球大气非静力云分辨模拟”;国家海洋局海洋一所与清华大学合作的“高分辨率海浪数值模拟”;中科院网络中心的“钛合金微结构演化相场模拟”。

  对此,赛迪智库电子信息产业研究所副所长温晓君博士在接受《经济参考报》记者专访时表示,我国高效能计算机系统在运算速度指标能力上全球领先,但在负载均衡、功耗优化等方面还存在明显的技术短板。例如,功耗是国际公认的实现E级超级计算机的主要技术障碍,亟须在新型体系结构、新的电路实现、高能效处理器与加速器、光子通信与高能效互连、新型低功耗存储器件、3D芯片等核心技术方面取得突破。美、日均正在全力展开研究,寻求克服这一障碍的技术手段,而我国在这方面的研究和技术积累不足。

  算天算地算人

  超算产业大有可为

  如此“高大上”超级计算机,离普通人的生活有多远?是不是永远都是科研人员的专用“工具”?中科院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮在接受《经济参考报》记者采访时表示,超级计算机与百姓生活密切相关,其应用可以简单通俗地概括为:算天、算地、算人。

  其实,气象数值预报一直是高性能计算机的重要应用领域之一,无论是短期天气预报还是长期气候预测,都离不开强大的超级计算机的支持。借助超级计算机预测气候变化,可以减轻极端天气给人类带来的伤害。当前世界,极端气象事件的影响日趋严重,超级计算机将提供有关发生可能性低、但破坏性大的气象事件的预警,对气候变化做出重要研究。同样,对天气情况的准确预报也需要具备迅速完成大量运算的能力。我国自行设计生产的银河Ⅱ型大型机就曾经被使用于天气预报领域。在2008年北京奥运会中,北京气象局也采用了超级计算机来为北京及周边地区提供精确到小时的天气预报。

  为便于污染物扩散,运用超级计算机测算建筑风道选址,更是让空气污染预报精确到每个小区。中科院深圳先进技术研究院正在国家超算无锡中心进行的一项课题,就是深圳市污染物扩散的模拟。“现在已经可以实现倒推排查,究竟是哪个排放点导致了某次大气污染,未来将能够实现每个小区、每个居民点空气质量的准确预报。”陈荣亮说。

  而在身体器官检测等方面,未来要不要做手术也是电脑说了算。据悉,欧洲和日本等国的科研人员还开始将超级计算机应用到医疗领域,通过超级计算机来模拟血流、心脏,甚至任何人体器官的工作。英国医学杂志《柳叶刀》认为,目前医疗研究已经进入分子层面,通过超级计算机的大量运算,可以有效地模拟人体器官对各类药物的反应,这样做能够大大缩短新药物的研发时间,让各类新药物尽快为患者服务;更为重要的是,这样大大节省了新药物的前期研发成本,可以使制药公司以较为低廉的价格为患者提供更有效的药物。

  事实上, 超算技术早已融入人类生活的方方面面。以美国为例,高性能计算应用大致可分为几类:一类是与国家安全密切相关的使命性应用,如美国能源部各国家实验室所从事的核武器设计、试验、改进和安全储存的研究,需要超级计算机进行全物理、全系统、真三维的数值模拟;一类是解决能源、环境、健康等方面重大挑战性问题的应用,例如聚变能源、全球气候变化、新材料设计、新药创制等;还有一类是以计算促进基础科学研究和重大科学发现,例如在宇宙起源、脑功能、基因和蛋白质组学、计算物理、计算化学、计算材料等方面的应用。

  近年来,基于人工智能的高性能计算应用呈拓展趋势,大数据、金融计算、社会计算等都成为高性能计划的新领域。IBM以沃森为核心提出了“认知计算”的概念,即由计算机模仿人脑的工作机制,对信息进行感知和分析处理的一种计算技术。未来,随着开放生态体系的建立,认知计算将有望成为继电子商务、智慧地球之后,被全球所接纳和推进的又一概念和方向,并引发各大企业和各国家、地区的跟随。

  其实,超级计算机并非永远都是科研人员的专用“工具”。随着科技的日益进步,超级计算机的小型化已成可能。早在2012年,谷歌就在其举办的“内部搜索”发布会上公开表示,“响应一个谷歌搜索请求所需的运算量与整个‘阿波罗84计划’的运算量(包括地面和空中)几乎一样多”。更重要的是,现代智能手机和平板电脑所具备的运算能力比以前要占据一整个房间的许多“巨型电脑”还要强大。预计到2019年,全球智能手机用户数量将达到35亿,这相当于智能手机的普及率将达到59%,超过2017年的50% ,相比于2013年的28%有了大幅增长。逐渐采用那些能让人们处理复杂任务的高速运算设备是大势所趋。最有可能出现的情况是,每个人使用的设备数量会大幅增加,这些设备不仅具有新功能,还能处理特殊任务。

  对此,温晓君建议,发展便携式超算,或“智能终端”,推进人工智能等新型计算技术正加速向移动终端产品普及迁移。一是推动以新型人机交互、智能情景感知与交互、大规模深度机器学习、增强现实等为代表的神经形态计算系统、智能决策系统、认知计算系统、虚拟智能助理、生物芯片等关键软硬件产品的开发。二是建设支撑超大规模深度学习的新型计算集群,推进人工智能与大数据、云计算、物联网的深度融合,打造开放的计算资源平台。三是构建科学标准体系,制定智能终端技术产品标准体系,建立并完善人工智能相关规范。

  国内制造优势

  与应用优势不匹配

  尽管我国的超级计算机在500强的榜单中获得了斐然的成绩,但这并不能代表我国超级计算机的应用水平。目前,国外建造的超级计算机多数都被直接用于实际中,而我国的超级计算机应用和国外相比仍有不小的差距。

  目前,超级计算机在国外有着广泛的应用,欧美日等国家在天气预报、飞机设计、医疗、军事等领域已大量使用超级计算机,而随着近年来超级计算机应用软件的发展,国外在环保监测、地质勘探、电影特效制作等领域,也开始大规模应用超级计算机。

  例如,法国石油巨头道达尔从2013年开始就启用超级计算机Pangea进行石油资源勘探。借助Pangea强大的运算能力,道达尔可以更加精确地判断石油蕴藏的规模及开采几率;美国的波音、洛克希德-马丁等航空制造企业,近年来也开始大量使用超级计算机进行包括发动机、飞机等的辅助设计。与此同时,美国好莱坞众多电影制作公司也开始尝试使用超级计算机进行电影的后期特效处理,《阿凡达》、《机械公敌》、《2012》等影片的强大特效就利用到了各种类型的超级计算机。

  “从建设超级计算机的角度来讲,中国和日本、美国以及欧洲的水平其实不相上下,但在建设思路上,中国却与其他国家截然不同。欧美国家一般是先考察超级计算机在各领域的需求,根据实际应用开始有针对性的研发和制造;而我国则将重点放在提升超级计算机的各项计算能力上,然后再考虑实际应用。”业内人士直言。

  例如,2010年,“天河一号”国家超级计算中心落户长沙,成为继天津和深圳之后,国家科技部正式批准建立的第三家国家超级计算中心。但是,长沙超算“起了个大早,却赶了个晚集”,长时间都没有投入运营。

  据介绍,长沙超算自2010年11月开始筹建,2013年7月主体工程竣工,同年9月,“天河一号”主机设备安装到位。然而,迁至新址后,设备一直封存,并没有正式运营。直到2014年6月才进行加电测试,启动试车。“有外省同行谈笑,说湖南的超算建设是中国超算建设的‘烂尾工程\\’。”湖南省政协常委、湖南大学国家超算长沙中心教授白树仁谈到长沙超算项目这样说。

  对此,温晓君认为,我国高性能计算资源部署可持续发展有待进一步完善。高性能计算资源建设缺乏规划,或与国家科研计划绑定,或完全依赖于所在单位。资源不足和资源利用不充分的现象同时存在,资源的单位拥有和资源的共享使用之间矛盾突出,严重制约了中国国家网络服务环境的可持续发展。“缺乏稳定的运行经费,这是困扰我国高性能计算中心的普遍问题。各个计算中心需要多渠道筹措运行经费,这些亟须建立可持续发展的运行机制。”温晓君说。

  建立健全机制

  消除超算应用瓶颈

  近些年来应用已经开始被业界所重视,要想实现更多的提升、真正从“超算大国”发展为“超算强国”,解决“重技术、轻应用,重硬件、轻软件”的问题,还需要科研机构、商业公司、高校等社会各界的不懈努力。

  当记者问目前都有哪些因素制约我国超算产业发展时,陈荣亮坦言,主要还是体制机制不健全,导致前期大家主要关注硬件的制造,后期的软件研发工作跟不上。而盗版软件的使用必然影响超算行业应用。“某种程度上来说,超级计算机系统的应用比计算机本身更重要。因为没有软件,计算机就是个空壳。”陈荣亮直言。他透露,目前虽然国家后续逐步加大软件的研发,但短期学习这方面的人才还比较匮乏。

  863重点专项专家组组长钱德沛教授认为,超级计算机的发展根本动力来自于需求,超级计算机的目的应该是造福人类。在这一基本认知下,中国发展超算应该从需求出发,解决最迫切的应用问题。“不用过于在乎超算的全球排名,我们要有争第一的意识,但是不要太在意,还是要从应用出发。”他进一步强调。

  对于应用落后的问题,钱德沛指出,这主要有三个原因:第一、中国开展超算业务的时间还很短;第二,高性能计算人才缺乏;第三,中国软件发展体制存在问题,由于盗版等因素没人愿意进行大型应用开发。

  由于我国超级计算机在应用领域和国外发达国家仍有差距,导致我国的超级计算机应用软件大部分需要从国外进口,这就意味着我国的超级计算机还尚未做到独立自主。“银河一号”主机系统负责人、“银河仿真机”和“银河二号”总负责人兼总设计师、中科院院士周兴铭坦言,我国超级计算机使用的领域还比较窄,许多领域的应用软件是从美国购买的,这大大限制了我国超级计算机的发展。

  事实上,作为我国科研发展的一个“通病”,对科技人员的激励机制死板,同样在超算应用开发环节存在。“对于主要靠人才资源的软件开发领域,你不能效仿硬件研发人员的方式来管理和激励。比如,在科研经费的使用流程方面,国家对科研器材花销方面和科研人员补助薪金等方面都要求的过死。严重影响科研人员的积极性。”

  对此,温晓君建议从以下几个方面完善,一是大力支持前沿计算和高性能计算机的立项研制。制定我国高效能计算机及应用领域10年到20年的长期发展规划。与《国家集成电路发展纲要》相结合,加大超级计算机、高性能CPU和相关软硬件的研发和产业化政策扶持力度。

  二是以解决重大问题为目标,加强对高性能计算应用软件研发的支持力度。在超级计算机研发过程中要同步开展应用软件的开发,更要在机器使用的全生命周期内持续开发应用软件,逐步改变我国大型并行应用软件要依赖国外的被动局面。

  三是坚持高效能计算机、高性能计算服务环境和高性能计算应用全面均衡发展的战略。高性能计算机是计算服务环境的基础资源,服务环境是拓展应用的基本条件,而应用的发展会促进机器和环境的进步和发展。三者之间是相互依赖、相互促进的关系。从应用出发研制高效能计算机是必须遵循的原则,既要重视应用的牵引作用,又要发挥技术进步对于应用的推动作用。

  四是搞好产业生态培育。产业生态培育在前沿计算和高性能计算领域同样适用。西方国家的超级计算机普遍采取国家预算维护、用户免费租借(对工业用户收取一定费用)的方式,以此培养用户,构建集硬件系统、应用软件开发、用户应用场景为一体的产业生态环境。
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