“天河二號”超級計算機機房

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(shù)、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(shù)據(jù),清華大學的大四學生李北辰估算后決定調(diào)整方案,“幾乎沒法跑完”。臨到結(jié)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(xiàn)場,在2天20小時的規(guī)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(jié)果將作為最后成績的評分依據(jù)。

李北辰隊伍搭建的機器的運算能力,約為1萬臺現(xiàn)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(fā)來的運算指令。不管是天文觀測、航空模擬計算,還是天氣預(yù)報、生物醫(yī)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?jīng)Q定了一個國家的尖端科研實力。以天氣預(yù)報為例,如果計算明天天氣的時間超過一天,那這個預(yù)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。

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這是一個以萬億為計量單位的世界。

在超級計算機領(lǐng)域,有著一份世界500強榜單。根據(jù)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(gòu)與目前主流的不同,現(xiàn)在的技術(shù)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(guān)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(tǒng)寫進國情咨文。

2013年至今,中國自主研發(fā)的超級計算機就一直穩(wěn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗。“這就像領(lǐng)導10個人和領(lǐng)導1000個人的區(qū)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(shù)百平方米的一樓大廳內(nèi)。當這臺研發(fā)費用數(shù)億元的機器運轉(zhuǎn)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(nèi),這意味著能使用的CPU、GPU數(shù)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(jié)點的運算內(nèi)容,另一方面還要簡化復雜的運算,讓每個節(jié)點能同時計算盡可能多的內(nèi)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(xiàn)場。賽前,場地上趴滿了選手,大家都在緊張地安裝和調(diào)試設(shè)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(xiàn)場設(shè)備高速運轉(zhuǎn)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(fā)的熱量一度是發(fā)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(tǒng)。

機房還安排人員24小時值班,監(jiān)控機器的運轉(zhuǎn)狀況,清理垃圾進程,實現(xiàn)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(xiàn)的挑戰(zhàn)。

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(yīng)用的團隊之一。因為需要處理大量的生物基因組數(shù)據(jù),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(wù)丟失,環(huán)境配置也不定時出問題,經(jīng)常算出他自己都不敢相信的結(jié)果。

這是因為生物信息領(lǐng)域在超級計算機上的應(yīng)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(fā)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(shù)據(jù)。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(jié)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(shù)據(jù)太多,網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)存儲上的錢就在5萬元左右。租用超級計算機進行數(shù)據(jù)處理,有時一天就會花費上萬元。

對多數(shù)用戶來說,使用超級計算機和自己的電腦沒什么區(qū)別,登錄賬號,上傳數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)制造業(yè)也倚仗這個技術(shù),部分公司洗衣液的瓶子都是超級計算機設(shè)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(yīng),大大縮短新藥的研發(fā)時間,節(jié)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(nèi)完成超過4000萬分子化合物的篩選,以最快的速度應(yīng)對爆發(fā)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(wù)是進行科學計算。最近幾年,有關(guān)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(jié)果,但現(xiàn)在,他們更像是在做應(yīng)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(jīng)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(xiàn)在,榜單前兩名都被中國占據(jù)。此外,中國的上榜數(shù)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(lǐng)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(fā)的機器性能。

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

雖然中國在硬件條件上取得領(lǐng)先地位,但軟件方面仍需要大量的投入。目前應(yīng)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(fā),中國的市場占有率基本為零。

“應(yīng)用于超算的生物信息學軟件開發(fā)起來舉步維艱。”趙齊感慨,“人才缺口很大。”他所在的專業(yè),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(yīng)該做更多對超算技術(shù)的科普和培訓。

在計算機科學領(lǐng)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(shù)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(lǐng)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(xù)。這樣規(guī)劃不夠長遠,技術(shù)團隊也難以保持穩(wěn)定。”

他介紹,我國對超級計算機領(lǐng)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(yīng)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(jīng)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?，F(xiàn)在我們超前了,該看清前進的方向,這比追趕花功夫得多。”(中國青年報)

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