神机妙算中国超级计算机技术举世瞩目

本刊编辑部

如果将计算机比喻成在近代科学史上冉冉升起的太阳，带领人们看到希望，那么，超级计算机无疑是那最炫目的光芒。超级计算机一直以来都应用于工业、科研、国防中最尖端的一些领域，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义，是—个国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

中国的计算机事业起步于20世纪50年代中期，与国外相比，晚了约10年。在计算机发展过程中，中国经历了各种困难，走过了一段不平凡的历程。如今，中国已经研制出世界上计算速度最快的高性能计算机，也成为国际上最大的微型计算机生产基地和主要市场。

中国计算机事业开始起步

与国外计算机发展历程相同，中国计算机的发展也经历了从早期的基于电子管、晶体管的第一代计算机，到基于中小规模集成电路的计算机，一直到基于超大规模集成电路的计算机的过程。

1952年全国大学院系调整时，华罗庚在中国科学院数学研究所内建立了中国第一个电子计算机科研小组，开始了对计算技术的探索。但是在中国计算机事业初始阶段，中国主要是学习、模仿苏联的计算机技术。

在1956年制订实施的《1956_1967年科学技术发展远景规划》中，开创中国的计算技术事业等项目被列为四大紧急措施。1956年6月，中国科学院计算技术研究所筹备委员会成立。筹备委员会确立了“先仿制，后自行设计”的原则，引进了苏联的M一3计算机和63CM-||计算机图纸资料，通过对这2台计算机进行仿制与改进，建立了中国自己的计算机科研队伍、工业生产队伍、应用队伍和管理队伍。1958年8月，中国第一台小型电子管数字计算机（103计算机）研制成功。1959年9月，中国第一台大型通用电子管数字计算机（104计算机）研制成功。这两种电子管计算机的相继推出，解决了经济和国防等领域中大量的计算难题，填补了中國计算机技术的空白，成为中国计算机事业起步阶段的重要里程碑。

在取得已有成果的基础上，中国没有停歇，而是开始研制第二代晶体管计算机。1964年11月，在当时国际环境非常困难的情况下，解放军军事工程学院（简称哈军工，现为国防科技大学）研制成功了441-B计算机。该机是用国产半导体元器件研制成功的中国第一台晶体管通用电子计算机，计算速度为8000次/秒，样机连续工作268小时未发生任何故障。1965年6月，中国科学院计算所研制成功了109乙晶体管大型通用数字计算机，运算速度达到定点运算9万次/秒、浮点运算6万次/秒，所用器材全部为国产。2年后，中国科学院计算所又研制成功109丙晶体管大型通用数字计算机，这是一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机。这台计算机的使用时间长达15年，被誉为“功勋计算机”，它为中国航天事业的发展提供过大量的重要数据和决策依据。

早期计算机由于体积庞大，多在专业部门（如国防领域）使用。集成电路计算机是继电子管计算机、晶体管计算机之后的第三代电子计算机，具有体积小、存储容量大、计算速度快、性能稳定可靠以及耗电量少等优点。从第一代电子管计算机到第三代小规模集成电路计算机，计算机的尺寸在不断缩小，稳定性在不断提高，计算速度在不断加快，价格也不断降低，日益走进普通市场。1971年，中国科学院计算所研制成功中国第一台小规模集成电路通用数字电子计算机111机。1976年11月，中国科学院计算所研制成功大型通用集成电路通用数字电子计算机013机。

从“银河号”到“天河号”

经历了20世纪50年代至70年代的发展，中国建立了从计算机设计到制造的较完整的工业体系，为中国计算机事业的后续发展奠定了坚实的基础。到了20世纪80年代，随着改革开放的深入，中国计算机事业进入了快速发展阶段，计算机系统研制从跟踪国外先进技术到实现技术超越。

1980年前后，中国高性能计算机研制工作开始起步，主要按照两条路线走：超级计算机与服务器。1983年，中国科学院计算所完成大型向量机757机，计算速度达到1000万次/秒。同年，国防科技大学研制成功“银河-|”巨型计算机，运算速度达1亿次/秒。“银河-|”巨型机是中国自行研制的第一台亿次计算机系统，它的诞生使中国成为世界上为数不多能研制巨型机的国家之一。

1992年11月19日，“银河-||”10亿次巨型计算机在长沙通过国家鉴定，填补了我国面向大型科学工程计算和大规模数据处理的并行巨型计算机的空白。

1997年6月19日，“银河-||”并行巨型计算机在北京通过国家鉴定。该机有多项技术处于全国领先地位，综合技术达到当时国际先进水平。

“银河”系列超级计算机广泛应用于天气预报、空气动力实验、工程物理、石油勘探、地震数据处理等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。国家气象中心将“银河”超级计算机用于中期数值天气预报系统，使我国成为世界上少数几个能发布5-7天中期数值天气预报的国家之一。

但是在20世纪，超级计算机的冠军排名一直在美国和日本之间轮流转，直到2010年11月，中国的“天河一号”荣登世界超级计算机500强榜单第一名，世界最强超级计算机的领域里终于有了中国的一席之地。

“天河一号”超级计算机是中国首台千万亿次超级计算机，由国防科技大学于2010年8月研制成功。作为国家超级计算天津中心的业务主机，

“天河一号”在石油勘探、高端装备研制、生物医药、动漫设计、新能源、新材料、工程设计与仿真分析、气象预报、遥感数据处理、金融风险分析等领域获得成功应用。

此后的数年里，“天河—号”和后续研制的“天河二号”屡次位居超级计算机排行榜首，中国的超级计算机技术发展水平取得了质的跨越。

“神威·太湖之光”横空出世

自“863”计划实施以来，国家高度重视并且支持超级计算系统的研发，但由于基础薄弱、起步较晚，在国际上经常受制于人，美国更是在2015年宣布对中国禁售高性能处理器。但是，“神威·太湖之光”的横空出世，成功地打破了美国的封锁，证明中国人完全有能力用自己的处理器构建世界最高性能的超级计算机。

“神威·太湖之光”超级计算机是由国家并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机。该计算机由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块由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，每个运算节点板又含2块中国自主研发的“申威26010”高性能处理器。“神威·太湖之光”超级计算机共安装了40960块“申威26010”处理器，该处理器采用64位自主申威指令系统，峰值性能为12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次，秒。

2016年6月20日，在法兰克福世界超算大会上，国际TOP500组织发布的榜单显示，“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首，不仅速度比第二名“天河二号”快出近2倍，其效率也提高3倍;11月14日，在美国盐湖城公布的新一期TOP500榜单中，“神威·太湖之光”以较大的运算速度優势轻松蝉联冠军;11月18日，我国科研人员依托“神威·太湖之光”超级计算机的应用成果首次荣获戈登·贝尔奖，实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。

2017年5月，科学技术部高技术中心在无锡组织了对“神威·太湖之光”计算机系统课题的现场验收。专家组经过认真考察和审核，一致同意其通过技术验收;11月13日，全球超级计算机500强榜单公布，“神威·太湖之光”以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度第四次夺冠。

2018年11月12日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国达拉斯发布，“神威·太湖之光”位列第三名。

“中国已在这场比赛中大幅领先。”美国劳伦斯伯克利国家实验室副主任西蒙称，超级计算机系统的每一个部件均在中国本土制造意义重大。该实验室是超级计算机的主要用户，协助编制全球超级计算机500强名单。“TOP500”网站也评论说，“神威·太湖之光”结束了中国只有依靠西方技术才能在超算领域拔得头筹的时代。

“凭借一套搭载本土自主研发处理器芯片的世界一流超级计算机系统，中国巩固了在这一计算机最高领域的领导地位。”《华尔街日报》曾在2016年刊发报道称，“神威·太湖之光”是中国首台未使用美国芯片技术且运行速度排名世界第一的计算机，“此前位列第一的‘天河二号使用了英特尔公司研发的芯片，去年美国出台的一项出口禁令使该系统未能获得升级所需芯片。”

正如《华尔街日报》所说，我国“863”计划持续支持超级计算系统的研发，但在处理器设计制造方面，相当一段时间都不能摆脱受制于人的局面。美国的出口禁令短期内可能造成“天河二号”升级计划拖延，但从长期来看，这反而是倒逼我国推进超算国产化战略的重要机遇，“神威·太湖之光”就是一个很好的证明。

可以预期，也可以看到，中国的发展有无限种可能，中国人的创造精神和钻研精神就像即将点燃的小宇宙一样。中国在超级计算机领域的国际领先地位，是几代中国人通过拼搏奋斗、艰苦创造得来的，我们将继续保持这种优势技术地位，开创一个更加光明灿烂的超算时代！

（责任编辑：张洁白玉磊责任校对：赵梦祺）