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新一代神威超算性能強勁
在過去十年中，全球超算發展迅速，中國、美國、日本呈現你追我趕的架勢，中國的天河2號、神威·太湖之光，美國的前沿、頂點，日本的富岳都曾經位居TOP500第一位。其中，中國的天河2號連續6次雄踞TOP500榜首，神威·太湖之光連續4次占據TOP500榜單第一位。
2019年2月25日，國防科技大學計算機學院計算機研究所科研人員在天河機房測試“天河二號”超級計算機系統。圖｜新華社
TOP500前10名不斷變化，根本原因正是半導體技術發展迅速。由于超算芯片設計水平和芯片制造水平飛速發展，各國擁有了性能更強的超算芯片，擁有了更強的互聯網絡，于是，性能更強的超算應運而生。
以2016年發布的神威·太湖之光為例，當時其性能為100P位，居全球第一，而不過短短6年，如今的E級超算性能已經是神威·太湖之光的10倍。
本次美國超算前沿在基準測試中跑出了1.012百億億次（1000P）浮點計算速度的峰值實測性能，成為了世界上第一臺官方認可的E級超級計算機。
事實上，今年我國的新超算并沒有公開，也沒有向國外機構提交成績，自然也就沒有參與TOP500排名。英國《金融時報》也發布報道稱，中國首臺E級超算已經運行一年多，只是沒有參加排名，“中國企業現在更專注國內競爭，而不是國際對手在做什么”。
根據披露的公開信息，新一代神威超級計算機的計算能力由自主研發的多核SW26010P CPU提供。雖然SW26010P CPU的具體參數我們無從得知，但2021年中國高性能計算機性能TOP100排行榜上有一款基于SW26010P打造的超算，我們可以基于這臺超算一探究竟。
2021年中國高性能計算機性能TOP100排行榜（截取了前10名）。圖源：中國計算機學會高性能計算專業委員會
從榜單顯示的信息看，該超算僅用了992片SW26010P芯片，就打造出一臺13.9P的超算。作為參照，神威·太湖之光性能為125P，使用了40960片SW26010芯片，換算一下，SW26010P的性能相對于SW26010提升了5倍。更為可怕的是，這臺超算效率極高，達到90.3%。作為參照，TOP100榜單上前20的超算，除神威·太湖之光效率達到74%外，其余超算效率在46%至62%之間。
而早在2021年，新一代神威超算就有“千萬核可擴展第一性原理拉曼光譜模擬”“多架構大規模并行保辛結構電磁全動理學等離子體模擬”和“超大規模量子隨機電路實時模擬”三項應用入圍“戈登貝爾獎”。最終，中國的超算應用團隊憑借應用“超大規模量子隨機電路實時模擬”，獲此殊榮。
這里要介紹一下“戈登貝爾獎”。該獎項設立于1987年，是國際上高性能計算應用領域的最高學術獎項，主要頒發給高性能應用領域最杰出成就，被稱為“超算領域的諾貝爾獎”。
此前，“戈登貝爾獎”曾被美國和日本壟斷近30年。直到2016年，基于神威·太湖之光超算的“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”榮獲“戈登貝爾獎”。2017年，基于神威·太湖之光超算的“非線性大地震模擬”再獲“戈登貝爾獎”。加上2021年這次獲獎，這已經是基于神威超算的應用第三次獲“戈登貝爾獎”，彰顯了中國超算和超算應用的實力。
此外，新一代神威超級計算機進行了RQC（隨機量子電路）高性能實時模擬，可擴展到4200萬個核心，單精度浮點性能可達120億億次，混合精度性能可達440億億次。我國聯合科研團隊基于新一代神威超算用304秒完成了百萬高保真度的關聯樣本，為未來量子計算的發展提供了堅實的模擬支撐。
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七十年前的高瞻遠矚
中國超算之所以能夠突飛猛進，很大程度上歸功于新中國第一代領導人的高瞻遠矚。新中國成立初期，滿目瘡痍，一窮二白，但開國領袖們非常有眼光，重視計算機技術研發。
1952年，國家就成立電子計算機科研小組，由數學研究所所長華羅庚負責。計算機小組提出了一臺串行的電子管計算機的輪廓設想，性能參數與EDVAC計算機和EDSAC計算機相當。
【注：EDVAC計算機為離散變量自動電子計算機，是美國早期的電子計算機。EDSAC計算機為電子延遲存儲自動計算機，是英國同時也是世界上第一臺實際運行的存儲程序式電子計算機?！?/p>
就在這個時期，夏培肅院士完成了第一個電子計算器和控制器的設計工作，并編寫了中國第一本電子計算機原理講義。在院校開設了計算機設計、程序設計和計算機方法專業訓練班，并送技術尖子赴蘇聯進修。
1956年，國家制定了發展我國科學的12年遠景規劃，把開創我國的計算技術事業等項目列為四大緊急措施之一。中國科學院則成立了計算技術研究所籌備委員會，將人才集中到該研究所，并依靠從蘇聯獲得的技術圖紙和蘇聯在156項工程中援建的電子管工廠設計、生產自己的計算機。
1958年，原七機部高級工程師張梓昌對蘇聯提供的M-3機設計圖紙進行局部修改后，成功研制出103計算機，運算速度達每秒3000次，該計算機共生產36臺。
1959年，張效祥教授以蘇聯還在研制中的БЭСМ-II計算機為模板，成功研制104計算機。該機共生產7臺，每秒運行1萬次，在原子彈的研制過程中發揮了重要作用。
103計算機和104計算機的誕生，使中國計算機完成了從無到有的跨越。而且，因為是仿制蘇聯的先進計算機，在技術起點上比較高——僅次于美蘇。
1960年，夏培肅院士帶隊設計的107計算機研制成功，并被安裝在北京玉泉路中國科學技術大學。107計算機是一臺小型的串聯通用電子管數字計算機，是新中國第一臺自主設計的計算機，標志著中國的計算機從模仿到自主設計的跨越。中科大以107計算機為基礎，編寫了《計算機原理》和《程序設計講義》，作為該校計算機專業、力學系、自動化系、地球物理系的教材。107計算機除了為教學服務外，還服務于潮汐預報、彈道計算、核物理、力學、微波等領域。
也是從上世紀60年代起，中蘇關系開始惡化，《中蘇友好同盟互助條約》名存實亡，赫魯曉夫撤走了在華的全部專家。與此同時，西方也對中國進行著嚴格的技術封鎖。
在美蘇的技術封鎖下，中國只能走自主設計、自主生產的發展路線。1964年，哈軍工成功研制出新中國第一臺全晶體管計算機441B，相對于美國的第一臺全晶體管計算機RCA501晚了6年。
441B在天津電子儀器廠共生產了100余臺，主要用于軍工、科研、氣象、油田勘探等，該機最大特點就是高可靠性和高可維性。1966年，北京舉辦計算機展覽，恰逢邢臺大地震，441B計算機是唯一不受地震影響，穩定運行的計算機。
1964年，吳幾康成功研制119計算機，該計算機運算能力為每秒5萬次，運算能力略強于美國于1958年制造的IBM709計算機。1965年，109計算機研制成功，該機由2萬多支晶體管、3萬多支二極管組成，穩定運行15年。109和119計算機在我國研制氫彈的歷程中立下汗馬功勞，被譽為研制氫彈“功勛機”。
1965年，中國自主研制的第一塊集成電路在上海誕生，進入集成電路時代只比美國晚了5年。1972年，自主研制的大規模集成電路在四川永川半導體研究所誕生，實現了從中小集成電路發展到大規模集成電路的跨越。而美國從中小規模集成電路發展到中大規模集成電路，用了8年時間（1960年到1968年）。
1972年尼克松訪華后，中國和西方的關系有所緩解，中國通過特殊渠道購買了少量單機設備，并將其消化吸收，推陳出新，搭建了自己的生產線，中國計算機自此告別了單機型生產百余臺的歷史。
在完成對國外設備的仿制并大量生產后，國產計算機更是進入大批量生產時代——批量生產的計算機有161型“南華”牌臺式計算機、LX-121型銀行利息機、130系列、150系列、180系列計算機。其中，130系列計算機產量最大，總產量近千臺。1979年研制的HDS-9計算機每秒運算500萬次，是美國1972年IBM370-168計算機運算能力的兩倍。
彼時，我國計算機技術雖然與西方有5至8年的差距，但在局部領域卻追平西方，比如上海無線電十四廠于1975年成功開發出的1024位移位存儲器，就基本達到國外同期水平；中科院上海冶金所還獨立發展了制造集成電路所需要的離子注入機，并出口到日本……
到上世紀70年代末，中國科研人員和產業工人發揚自力更生、自強不息的精神，建成了中國自己的半導體和計算機工業，掌握了從單晶制備、設備制造到集成電路制造的全過程技術。
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徹底拆除“玻璃房子”
上世紀80年代，在“造不如買、買不如租”“市場換技術”等政策指導下，半導體產業發展受到嚴重影響。芯片也從自主研發轉變到購買國外芯片，比如1983年，浪潮開始采用進口Intel8088芯片，而非國產芯片組裝0520微機，在80年代至90年代初研制的長城286、長城386、長城486、2780機、太極2220、銀河超級小型機、HN2730超級小型機等計算機均采用國外芯片。中國第四代計算機中的巨型機代表機型——“銀河1”巨型計算機耗資1億元人民幣，但因大量購買國外硬件，未能對中國的半導體產業進步起到太多積極作用。
到80年代末，中國憑自己的技術已經很難生產出一臺計算機了。到90年代初，以聯想為代表的中國計算機企業紛紛轉向“貿工技”路線，只從事低附加值的微機組裝，無力也無心從事芯片研發，國內芯片市場徹底落入外資掌控。
在中國喪失獨立自主研發制造計算機的能力后，美國政府開始嚴格限制對中國出口高性能計算機。在當時，高性能計算的應用涉及的基本是堪稱國家命脈的領域，如國防軍工、油氣勘探、水電利用等。由于中國當時還沒有自主研發的高性能計算機，所需要的計算機只能依靠進口，價格昂貴，維修管理困難。中國進口計算機就花掉近20億美元，維護費用動輒千萬。
原石油工業部地球物理勘探局曾花費巨資從國外購買了一臺大型機，沒想到，對方對后期的集成和維護費用開價百億以上。不僅如此，對方還提出了一個讓中國IT人銘記了十幾年的屈辱條件——在設備使用過程中，為防止機器核心技術外泄，設備機房采用全透明的玻璃墻壁，對方要時刻監控我國工作人員的一舉一動，甚至連高性能計算機的啟動密碼和機房鑰匙都要由對方控制。
為了徹底拆除“玻璃房子”，研發出完全擁有自主知識產權的國產高性能計算機，我國的科學家們走上了一條異常艱苦的突圍之路。
1993年，中國高性能計算機曙光一號并行機終于研制成功。曙光一號的戰略效應立竿見影：它誕生的第三天，美國便宣布解除10億次計算機對中國的禁運?？梢哉f，曙光一號成功打破了國外IT巨頭對我國信息技術的壟斷，推動信息產業再次走上了自主發展的道路。
1995年，在只有十余名研究員、500萬元經費的情況下，曙光1000大規模并行計算機成功研發。曙光1000達到了20世紀90年代前期的國際先進水平，榮獲了1996年中國科學院科技進步特等獎和1997年國家科學技術進步一等獎。
1998年，曙光2000問世，總體水平達到了90年代同期國際先進水平。2001年，曙光3000誕生。2004年，曙光公司研發出4000A，成為國內首臺每秒運算超過10萬億次的超級計算機，并代表中國首次進入全球超級計算機TOP500排行榜，位列第十位。
2008年，曙光5000降生，其系統峰值運算速度達到每秒230萬億次浮點運算，讓中國成為繼美國之后第二個能制造和應用超百萬億次商用高性能計算機的國家。
2009年，第一臺國產千萬億次超級計算機天河1號在湖南長沙亮相。2010年，國防科大對天河1號進行了升級，使其成為當時世界上最快的超級計算機。
2010年，曙光6000問世，以實測每秒達1271萬億次的峰值速度，在2010年的第35屆全球超級計算機TOP500中名列第二。
2012年，神威藍光超級計算機投入使用。該超算使用了8704片申威1600，搭載神威睿思操作系統，雖然超算絕對性能并不高，但卻是中國在“市場換技術”之后，首次實現了超算CPU和操作系統的全部國產化。
2013年，國防科技大學成功研制出天河2號，高達55PFlops的性能使其傲視群雄，六度蟬聯TOP500排行榜首位。不過，天河2號使用了美國英特爾公司的超算芯片，不久美國政府就禁止向中國超算中心出口英特爾的超算芯片。數年后，國防科大用自主研發的矩陣2000加速卡替換了美國超算芯片，并將性能從55PFlops提升到97.9PFlops。
2018年10月16日，國家超級計算無錫中心的“神威·太湖之光”超級計算機。圖｜新華社
2016年，神威·太湖之光問世，成為全球首個性能超過100PFlops的超算，四度蟬聯TOP500排行榜首位。值得一提的是，神威·太湖之光延續了神威藍光超算的高自主性，在超算芯片、操作系統、互聯等關鍵技術上全部實現國產化。
2021年，中國新一代超算橫空出世，三個應用入圍“戈登貝爾獎”，一個應用獲獎，足以證明強勁實力。
不過，看到成績的同時，我們也要看到不足之處。
其一是我國高性能計算軟件的缺失。目前，我國不少大型科學計算的軟件仍需進口，超算經費用于應用軟件開發的不到10%。
其二是企業級應用較少。汽車行業的通用、克萊斯勒等公司，每家都有10多個超算系統，英國石油公司（BP）則擁有世界上最大的工業用超級計算機，我國使用高性能計算機較多的是互聯網公司，在制造業的應用規模較小。
其三是幾大超算架構不統一。神威、天河、曙光三大系列超算各成體系，軟件不能通用，移植工作量異常巨大，不利于超算通用化和商業化。
歷經70年的發展，中國超算技術積累已經非常雄厚，在芯片、操作系統、互聯等關鍵技術上均實現自主研發，但是留給我們的挑戰依舊很多，路還很長。
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