國之重器：“天河“高性能計算機發(fā)展歷程

趙陽輝1 陳方舟2 溫運城3

摘要：繼2010年“天河一號”首次問鼎全球最快超級計算機之后，“天河二號“連續(xù)六次蟬聯(lián)全球超級計算機TOP500冠軍。除令人嘆服的運行速度外，“天河”系列高性能計算機還擁有中國自主研發(fā)的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)、高速互連網(wǎng)絡(luò)、新型并行編程模型框架等核心技術(shù)。它的成功是我國計算機領(lǐng)域幾代科學家共同努力的結(jié)果。

目錄 前言 3 中國計算機技術(shù)的起步 3

2.1 新中國成立前 3

2.2 新中國成立后 3 中國軍用計算機的源起及發(fā)展 4

3.1 中國軍用計算機的源起 4

3.2 中國軍用計算機的發(fā)展 4 “銀河”億次巨型機的研制 5

4.1 “銀河”億次巨型機的研制源起 5

4.2 “銀河”億次巨型機的誕生 6 “天河”高性能計算機的成就及意義 7

5.1 高性能計算機研究的意義 7

5.2 “天河”高性能計算機的成就 7

5.3 “天河”高性能計算機的意義 8 參考文獻 9

1前言

高性能計算機（早期稱為巨型機)，又稱超級計算機，是以每秒浮點運算速度來衡量的，具有超高運算能力和超大存儲容量的超大規(guī)模電子計算機。自1960年代以來，美、英、法、德、日等發(fā)達國家相繼推出系列巨型計算機，引領(lǐng)世界計算機發(fā)展之方向，在量子力學、密碼分析、氣象和天氣預(yù)報、石油和天然氣開采以及軍事等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生巨大社會效益在1993年開始發(fā)布的全球超級計算機TOP500 排行榜中，美國始終占據(jù)最多席位，處于世界濘位。作為一個為高性能計算機提供統(tǒng)計的組織，TOP500主要針對高性能計算機制造商、用戶以及潛在用戶，通過用Linpack程序?qū)Ω咝阅苡嬎銠C系統(tǒng)進行基準測試，取前500，最優(yōu)系統(tǒng)進行排名，每年發(fā)布兩次，并在 TOP500網(wǎng)站公布。2010年，中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學（簡稱國防科大）研制的“天河一號”第一次超越美國，榮登全球超級計算機TOP500排行榜榜首。此后，“天河二號”連續(xù)六次蟬聯(lián)全球最快超級計算機排行榜榜首。“天河”系列超級計算機的成功，既有深厚的歷史淵源，又有長期的技術(shù)積累，更有時代迫切需求的強勁動力，是中國發(fā)展計算機技術(shù)服務(wù)于國家建設(shè)和國防事業(yè)的重要體現(xiàn)。

2中國計算機技術(shù)的起步

2.1新中國成立前

第二次世界大戰(zhàn)全面爆發(fā)前夕，科學學的創(chuàng)始人、英國學者貝爾納指出“科學與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的；實際上，除了19世紀的某一段期間，我們可以公正地說：大部分重要的技術(shù)和科學進展是海陸軍的需要所直接促成的?！?[1] 1946年2月誕生于美國阿伯丁彈道研究實驗室的世界上第一臺電子計算機ENIAC，迫不及待地證明了貝爾納這一見解的正確性。不僅如此，中國計算機的發(fā)展歷程也是有力佐證之一。

在ENIAC問世之時，中國剛結(jié)束抗日戰(zhàn)爭，隨即又進人解放戰(zhàn)爭，連年浩大的戰(zhàn)亂令國人無暇顧及計算機的研制及考慮其對武器裝備發(fā)展的影響。

2.2新中國成立后

直到新中國成立不久后爆發(fā)抗美援朝戰(zhàn)爭，人朝作戰(zhàn)的中國軍隊高級將領(lǐng)深刻認識到武器裝備技術(shù)對未來戰(zhàn)爭的決定性影響，以及加強軍隊和國防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切性。軍事理論家郭化若將軍多次指出：“在抗美援朝戰(zhàn)爭中因為我軍沒有制空權(quán)，而難以達成戰(zhàn)役的殲滅戰(zhàn)，因為我軍沒有制海權(quán)而不能達成戰(zhàn)略的殲滅戰(zhàn)。只有搞好我國的經(jīng)濟建設(shè)，提高經(jīng)濟實力，搞好我軍的現(xiàn)代化建設(shè)（主要是武器裝備的現(xiàn)代化建設(shè)），提高我軍的作戰(zhàn)能力，我們的國家安全才更有保證?！盵2]受命創(chuàng)辦中國人民解放軍軍事工程學院（簡稱哈軍工）的陳賡大將更是一針見血地指出：“技術(shù)兵器確是決定戰(zhàn)爭勝敗的重要因素?！?/p>

1952年，中國科學院數(shù)學研究所所長華羅庚提出發(fā)展計算機。1956年國務(wù)院制定的《十二年科學技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，將計算機列為六個重點項目之一，采取緊急措施以保證其發(fā)展，并籌建中國科學院計算技術(shù)研究所。1958年，中國在蘇聯(lián)幫助下試制出103計算機，至此中國“有了“計算機。1959年，第一臺大型通用電子計算機104機研制成功。1965年、1967年中國科學院計算技術(shù)研究所（簡稱中科院計算所）、華北計算技術(shù)研究所、華東計算技術(shù)研究所等相繼自行研制成功系列電子計算機，其中 109乙機（運行速度9萬次/秒）和109丙機（運行速度1 L5萬次/秒）為兩彈做出了應(yīng)有的貢獻[3]，它們的應(yīng)用使得中國繼第一顆原子彈裝置核爆成功后不到3年，就成功爆炸第一顆氫彈，研制速度快于美國的7年和蘇聯(lián)的4年。由此可見，計算技術(shù)的發(fā)展對于加快國防現(xiàn)代化進程的重要性是不言而喻的。

3中國軍用計算機的源起及發(fā)展

3.1中國軍用計算機的源起

中國軍用計算機的研制源于哈軍工。哈軍工系國防科大的前身，創(chuàng)辦于1953年，陳賡大將任第一任院長。

1956年秋，海軍司令部提出研制魚雷快艇指揮儀的任務(wù)，交由哈軍工海軍工程系完成。1957年8月，海軍工程系助教柳克俊呈交《關(guān)于發(fā)展艦用電子計算機，研究試制供快艇用的快速電子指揮儀的報告》，指出：“1956年底，結(jié)合世界電子計算機技術(shù)的發(fā)展情況，已萌生想用電子數(shù)字計算技術(shù)來解決魚類快艇的問題，經(jīng)過不斷地實際探索，特建議發(fā)展海軍艦用電子計算機。”

3.2中國軍用計算機的發(fā)展

1958年9月28日，代號為“331”的電子計算機完成初步考核，結(jié)果顯示其邏輯正確、運行正常。這是哈軍工乃至中國第一臺軍用電子數(shù)字計算機樣機，盡管它還達不到生產(chǎn)和裝備部隊的水平。在1959一1970年間，331機研制組經(jīng)過晶體管老化篩選，利用v型掃描法和切比雪夫最佳逼近方法，實現(xiàn)了魚雷快艇指揮儀的晶體管化和小型化，使其終于成為真正意義上的首臺軍用計算機。

1960年代初，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、材料科學等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，計算機晶體管化、通用化和生產(chǎn)批量化已成為可能，電子計算機進人晶體管時代。此時，從英國考察歸來的哈軍工電子技術(shù)系成立，主任慈云桂及時把握這一發(fā)展趨勢，決定立即下馬已經(jīng)開始的電子管計算機項目，發(fā)展晶體管通用計算機。慈云桂就“國內(nèi)有無研制條件”和“國產(chǎn)元器件是否能夠過關(guān)”等問題進行了深人的調(diào)查研究，形成論證報告后上報國防科學技術(shù)工業(yè)委員會（簡稱國防科工委），得到主管科技工作的國務(wù)院副總理聶榮臻的支持，他指示“盡快用國產(chǎn)晶體管研制通用計算機。”在慈云桂主持研制代號“441B ”的通用晶體管計算機的過程中，海軍工程系年輕教員康鵬提出“用國產(chǎn)的參數(shù)不一致的品體管，構(gòu)建出一致的、波形寬度標準的電路”網(wǎng)的辯證思想，解決了信號競爭問題和觸發(fā)器“一觸即發(fā)”的問題，進而發(fā)明隔離阻塞一推拉觸發(fā)器電路，解決441B機基礎(chǔ)電路的穩(wěn)定性問題，最終用國產(chǎn)半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)出性能穩(wěn)定可靠的品體管計算機。1964年8月，441B機順利通過穩(wěn)定性考核，先后生產(chǎn)100余臺，廣泛用于國防、經(jīng)濟及教育等領(lǐng)域。這標志著哈軍工的計算機技術(shù)已走在國內(nèi)同行前列，并為下一代計算機技術(shù)的發(fā)展奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1969年1l月，鑒于國防科研需要，國防科工委主持召開“遠望號”測量船控制計算處理中心方案論證會。哈軍工電子計算機系主任慈云桂提議研制百萬次集成電路計算機，他提出的利用系統(tǒng)設(shè)計的可靠性來彌補國產(chǎn)小規(guī)模集成電路初期產(chǎn)品缺陷的技術(shù)思路獲得認同，從而與華北計算所分別立項。

1970年哈軍工主體南遷長沙，改名長沙工學院 1978年6月，中央軍委批淮長沙工學院重新回到軍隊序列，改建國防科學技術(shù)大學。在這動蕩的8年中，他們克服許多困難，在高速晶體管一晶體管邏輯(transistor-transistor logic, TTL)、集成電路、插件式存儲器、圖形顯示設(shè)備等領(lǐng)域取得突破性進展，研制成功代號為“巧1”的百萬次大型計算機[4]，該機在1980年5月我國首次成功發(fā)射洲際導(dǎo)彈中發(fā)揮了重要作用，進而確立了國防科大計算機團隊在中國計算機技術(shù)領(lǐng)域的重要地位。

4“銀河”億次巨型機的研制

4.1“銀河”億次巨型機的研制源起

1976年，美國第一臺超級計算機Cray一1實現(xiàn)了1億次/秒的運算速度，標志著巨型計算機時代的來臨。Cray一1主要用于美國國防部、航天局、能源部及國家安全局等與軍事密切相關(guān)的核心部門。之后，法國、英國、聯(lián)邦德國、日本等國奮起直追，相繼研制出巨型計算機。

早在1967年9月，聶榮臻就提議研制更高水平的計算機，以滿足發(fā)展尖端武器、增強國防實力的迫切需要。1972年10月，國防科工委向中央專委建議將巨型計算機的研制列人國家重點工程項目。1974年初，中國科學院、第四機械工業(yè)部（簡稱四機部）和國防科工委三部門聯(lián)合向國務(wù)院、中央軍委、中央專委提出，組織全國力量開展巨型計算機的研制。1975年10月，國防科工委主任張愛萍責成慈云桂負責組織國內(nèi)計算機專家調(diào)查小組，就巨型機需求、國內(nèi)元器件、外設(shè)生產(chǎn)狀況和性價比等情況進行全國調(diào)研，因“文革”影響，工程雖經(jīng)籌劃，未能實施。

1977年5月，慈云桂組織長沙工學院再次進行全國性調(diào)研，完成億次巨型機的調(diào)研報告。1 1月14 日，國防科工委向中央呈報《關(guān)于研制巨型電子計算機事》的請示報告。隨后，張愛萍親自邀請國內(nèi)專家進行方案論證，中科院計算所、四機部等單位亦爭相立項。1978年1月29日，國防科工委再次向中央呈交了《關(guān)于安排研制億次計算機情況報告》，著重強調(diào)長沙工學院計算機團隊的立項優(yōu)勢。3月4日，鄧小平?jīng)Q定把中國第一臺巨型計算機的研制任務(wù)交給長沙工學院，慈云桂擔任總設(shè)計師。5月，國防科工委組織召開論證會，“785”工程任務(wù)正式啟動。

4.2“銀河”億次巨型機的誕生

“785”工程在立項之初，就確立了“跟蹤國外最先進技術(shù)，引進國內(nèi)一時無力生產(chǎn)而國外又能買到的元器件和設(shè)備，用自己的智慧和技術(shù)設(shè)計研制做出中國的巨型機”的指導(dǎo)思想。在“自力更生與適當引進國外先進技術(shù)相結(jié)合、走發(fā)展具有中國特色的巨型計算機新路”的方針指導(dǎo)下，“785”工程團隊吸收了Cray-I的先進思想，巨型計算機選取了底板走線最短、最有利于信號高速傳輸?shù)膱A柱形。

研究人員在體系結(jié)構(gòu)、邏輯、元器件、組裝等方面，以中國國情為基礎(chǔ)有所創(chuàng)新；在硬件設(shè)計上，采用雙向量陣列部件方案，并按照慈云桂、楊曉東等人提出的素數(shù)模存儲體交叉訪問的設(shè)想，解決了總體設(shè)計難題；在軟件方面，開創(chuàng)了并行算法，并行化程序設(shè)計，并行操作系統(tǒng)，大型診斷系統(tǒng)和向量化、優(yōu)化的FORTRAN編譯系統(tǒng)，在國內(nèi)首次采用軟件工程化的方法完成了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計任務(wù)；在工程組織和管理方面，建立“垂直”的工程指揮系統(tǒng)[5]，從國防科工委、國防科大到計算機系兼研究所、研究室、小組集中統(tǒng)一，縱向管理?！?85”工程在全國范圍內(nèi)，大力協(xié)同高校、研究所、工廠等一系列相關(guān)部門，聯(lián)合攻關(guān)。經(jīng)過五年多的艱苦奮斗，終于在1983年12月研制出中國第一臺 億次巨型計算機，并順利通過國家鑒定，張愛萍親自為其題名“銀河”。天河巨型機如圖 1所示

“銀河”億次巨型機成為當時中國運算速度最快、存儲容量最大、功能最強的計算機系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標“具有國內(nèi)先進水平，某些方面達到了國際先進水平”，打破美國對中國長期的技術(shù)封鎖。中國成為繼美、日、法、英、德之后能夠獨立設(shè)計、制造巨型機的國家。此后，國防科大相繼推出銀河系1列巨型機和仿真計算機，“成為我國戰(zhàn)略武器研制、航天航空飛行器設(shè)計、國民經(jīng)濟的預(yù)測和決策、能源開發(fā)、天氣預(yù)報、圖像處理、情報分析，以及各種科學研究的強大的計算工具” [6]。

伴隨著從哈軍工到國防科大的歷史變遷，一支勇于拼搏、獻身國防的工程創(chuàng)新團隊建立起來。多年來，豐富的工程實踐經(jīng)驗培養(yǎng)出一大批復(fù)合型創(chuàng)新人才，形成“胸懷祖國、團結(jié)協(xié)作，志在高峰，奮勇拼搏”的銀河精神，為中國發(fā)展高性能計算機奠定了堅實基礎(chǔ)。

5“天河”高性能計算機的成就及意義

5.1高性能計算機研究的意義

高性能計算機在科技、經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域的作用日益顯現(xiàn)，并得到廣泛應(yīng)用，它已成為國際競爭的戰(zhàn)略目標，在一定程度上代表了國家的綜合實力。

高性能計算機的超強計算處理能力有力地推動了科技的發(fā)展。在航空航天技術(shù)領(lǐng)域，它能夠協(xié)助專業(yè)技術(shù)人員完成大規(guī)模計算和飛行器設(shè)計模擬工作；在石油勘探領(lǐng)域，它能增強物探數(shù)據(jù)處理能力和信息管理能力，提高勘探工作的速度和精確度；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，它可結(jié)合藥物實驗進行計算模擬，降低藥物研發(fā)成本，拓寬疾病救治途徑。不僅如此，高性能計算機還具有超強數(shù)據(jù)存儲能力，可全面系統(tǒng)地搜集處理地球、海洋、大氣等環(huán)境的大數(shù)據(jù)，便于人類更好地認識、了解、改善自己的生存空間。

高性能計算機已成為推動新軍事變革的加速器。早在2007年，美國國防部就提出為期八年的“高性能計算現(xiàn)代化計劃”，并投人20億美元用于研制高性能計算機，目的就是提高武器裝備、流體力學、空氣動力學以及空間和海洋環(huán)境特性的建模與仿真技術(shù)。此外，在獲取情報和分析情報的過程中，高性能計算機利用數(shù)據(jù)流程建模，能夠在浩如煙海的信息流中快速準確地找到破解密鑰；在戰(zhàn)爭設(shè)計及推演方面，超級計算機亦能夠綜合統(tǒng)籌概率論、博弈論、統(tǒng)計學和運籌學等科學方法，迅速處理和分析相關(guān)參數(shù)，模擬和推演出作戰(zhàn)過程并預(yù)測出戰(zhàn)爭結(jié)局，形成最優(yōu)作戰(zhàn)方案。

正是由于高性能計算機在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要地位及意義，發(fā)達國家將其列為涉及國家核心利益高科技產(chǎn)品，實行技術(shù)禁運。因此，中國的高性能計算機必須走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。

5.2“天河”高性能計算機的成就

2006年，國家科技部將高性能計算機作為國家發(fā)展戰(zhàn)略予以實施，“天河”高性能計算機工程正是在這一背景下應(yīng)運而生的。

在“天河一號”高性能計算機系統(tǒng)取得的眾多突破性成就中，最引人注目的是異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，由于一顆中央處理器（central processing unit, CPU)的峰值計算處理能力是確定的，構(gòu)建一個具有超強計算處理能力的超級計算機系統(tǒng)，通常需要使用眾多CPU，待建計算機系統(tǒng)總的計算處理能力就等于單顆CPU的計算處理能力乘以CPU的總數(shù)。然而，CPU的數(shù)量越多，意味著該系統(tǒng)的硬件規(guī)模越大，故障概率也就越高。當CPU的總數(shù)超過一定數(shù)目時，這個計算機系統(tǒng)將會無法使用或無法實現(xiàn)。運行速度達千萬億次/秒以上的高性能計算機系統(tǒng)在設(shè)計時就會面臨著這樣一個嚴峻問題。

以楊學軍院士為首的國防科大“天河”工程團隊，以實現(xiàn)運算速度每秒千萬億次以上的高性能計算機系統(tǒng)為目標，創(chuàng)造性地提出將圖形處理器（graphics processing unit, GPU)與CPU合理組合，構(gòu)成異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，并通過軟件為GPU 和CPU分配相適應(yīng)的計算處理任務(wù)。原本為加速圖形處理而設(shè)計的GPU，雖然不像CPU那樣用于處理各種復(fù)雜計算任務(wù)，但對某類特殊的算法卻具有比 CPU高出數(shù)十倍甚至上百倍的處理能力。2007年，“GPU+CPU” 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想在計算機體系結(jié)構(gòu)國際會議（International Symposium on Computer Architecture, ISCA)上發(fā)表，在學術(shù)界引起很大反響。然而，要將新的思想成功應(yīng)用于實踐，則需要付出異常艱辛的努力。2009年3月，當異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)首次運行使用時，GPU的實測性能僅為其理論峰值的20%左右?！疤旌印惫こ虉F隊為解決此技術(shù)難題奮戰(zhàn)4個月，終于找到優(yōu)化GPI-I計算程序這一突破口，GPU計算效能最終達到其理論峰值的70%以上，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

5.3“天河”高性能計算機的意義

“天河一號”高性能計算機的創(chuàng)新，還體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在同行看來，為“天河”系統(tǒng)設(shè)計研制高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既耗費精力又難以成功，利用市售的國外商用網(wǎng)絡(luò)就可以簡單地實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各結(jié)點的高速互聯(lián)。但是，“天河”工程團隊認為，唯有創(chuàng)新才能形成自主、自控之優(yōu)勢。他們自主設(shè)計的高階路由芯片和高速網(wǎng)絡(luò)接口芯片令“天河一號”的接口帶寬高于同期市售國外高速互聯(lián)產(chǎn)品。

2013年6月，國防科大完成的“天河二號”一期 工程采用比“天河一號”更高性能的CPU和GPIJ，并設(shè)計研制出更高性能的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。“天河二號”期工程實測速度達到每秒3.383億億次，比美國計算處理速度最快的高性能計算機“泰坦”（每秒L759億億次）快了將近一倍。天河二號超級計算機如圖 2所示

然而，“天河二號”一期工程是以美國英特爾公司的處理器芯片為主，自主研制的處理器芯片為輔。20年4月，美國商務(wù)部宣布禁止英特爾公司向中國出售高端處理器芯片，并將國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科大列人出口管制黑名單。美國的 “芯片禁售令”，促使中國加快自主研制的步伐?！疤旌印惫こ虉F隊正圍繞“天河二號”系統(tǒng)升級和新一代超級計算機研制進行攻關(guān)，有望推出基于自主眾核加速器的 “天河二號”升級系統(tǒng)，運算速度將提升I倍，達到每秒10億億次，實現(xiàn)全部元器件國產(chǎn)化。由此可見，自主創(chuàng)新與科技強國是中國趕超并保持高性能計算機處于國際領(lǐng)先水平的必要前提。

國之重器，待千錘百煉?！疤旌印备咝阅苡嬎銠C集幾代人的艱辛努力和奮勇拼搏，終于攀上國際高性能計算機之首。但是，我們必須清醒地認識到，未來中國高性能計算機的發(fā)展任重道遠，只有確立創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，建立自主創(chuàng)新機制，提高核心技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，拓展、深化應(yīng)用領(lǐng)域，方能在愈加激烈的國際競爭中立于不敗之地。

6參考文獻

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