神威·太湖之光超级计算机

段芳

1997年，世界上首台万亿次超级计算机在美国圣地亚国家实验室落户，2016年，十亿亿次超级计算机“神威·太湖之光”问世。短短20年间，超级计算机单台性能整整提高了10万倍。“神威·太湖之光”超级计算机的最大特点就是运算速度快，其整机系统峰值性能可达每秒12.5亿亿次，它1分钟的计算能力相當于全球72亿人同时用计算器不间断计算 32年。计算性能、持续性能和性能功耗比这三项关键指标在系统发布时均居世界前列。

“神威·太湖之光”超级计算机采用基于高密度弹性超节点和高流量复合网络的高效能体系结构，由运算系统、网络系统、外围系统、维护诊断系统、电源系统、冷却系统和软件系统组成。

运算系统

由32768个运算节点组成，主要包括处理器、存储器、节点管理控制器、电源供电和接口电路等。

网络系统

采用大规模高流量复合网络体系结构，构造了超节点网络、共享资源网络和中央交换网络的三级互连，实现了全系统高带宽、低延迟通信，有效支持计算密集、通信密集和输入/输出（I/O）密集等多类型课题的运行。

外围系统

由网络存储系统和外围管理系统组成。

网络存储系统由存储网络和存储磁盘阵列盘阵组成，负责为运算节点提供高速可靠的数据存储访问服务。

外围管理系统由系统控制台、管理服务器和管理网络组成，用以实现系统的管理与服务。

维护诊断系统

提供全面的在线维护管理、运行状态与环境监控、故障定位与记录，以及安全保护。

电源系统

包括配电、高压整流柜、直流不间断电源、交流不间断电源、机仓板级电源以及相应的电源监控系统，负责向整机各个部分提供稳定、可靠的电力供应。

冷却系统

超级计算机运行时会产生巨大的热量，冷却系统帮助其降温，避免因过热而产生不良后果。“神威·太湖之光”的运算机仓和网络机仓采用间接水冷方式冷却，外围设备采用水风交换方式冷却，电源系统采用强

软件系统

由国产众核CPU基础软件、并行操作系统环境、高性能存储管理系统、并行语言及编译环境、并行开发环境等部分组成。制风冷方式冷却，从而保证整机正常稳定运行。

超算能干什么

超级计算机，简称超算，是指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。其基本组件与个人电脑无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机，具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富、高效的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒1太（万亿）次以上。

超级计算机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

以“神威·太湖之光”为例，应用领域最常见的有：天气预报、石油勘探、药物开发以及各类设计等。在2017年11月举行的全球超级计算大会上，由清华大学地球系统科学系“80后”副教授付昊桓带领团队完成的“非线性大地震模拟”，获得了国际高性能计算应用领域最高奖——“戈登·贝尔”奖。这是基于“神威·太湖之光”超级计算机的应用第二次拿下该奖。“戈登·贝尔”奖更注重高性能计算应用水平，被誉为“超级计算领域的诺贝尔奖”。此次获奖的“非线性大地震模拟”首次实现了对唐山大地震发生过程的高分辨率精确模拟，准确地实现了对地震发生过程的重现与预测。这对未来地震灾害救援演习、预防预测及合理规划地震高发区的各项设施等都有重要意义。

我国在戈登·贝尔奖上取得零的突破是在2016年，当时由中国科学院软件研究所、清华大学、国家并行计算机工程技术研究中心、北京师范大学和国家超级计算无锡中心合作的“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”研究取得重要进展，被授予了戈登·贝尔奖，应用的正是国产“神威·太湖之光”这一配备了国产众核处理器的世界顶级超算系统。这个项目设计开发了一种新的用于大气动力模拟的高可扩展全隐式求解算法和软件，是世界上首次在大规模异构众核系统上实现千万核可扩展的高效并行隐式求解，第一次在有效时间尺度完成了500米以上分辨率的大气模拟。该成果在应用与算法两个层面实现了重大突破。在应用层面，该成果首次证明了全隐式求解方法是构建未来超高分辨率大气模式的一种具有竞争力的选择，该大气动力过程的模拟速度较美国下一代大气模拟系统 （ 美国地球物理流体动力学实验室开发的AM3非静力大气模式 ） 的计算效率提升近1个数量级，未来可应用于高分辨率气候模拟和高精细数值天气预报，提升预估、预报精度。在算法层面，该应用实现了目前世界上首个可扩展到千万核、峰值效率超过6%的隐式求解器。其并行度和峰值效率较2015年“戈登·贝尔”奖的获奖工作均提升一个数量级，预计未来在航空、地学、能源等领域的挑战性计算问题求解方面有着广阔的应用前景。

与国内超级计算机更为开放、可以匹配不同使用者需求的特点不同，国外的机构研发建设超级计算机的目的都是自用。美国速度最快的超级计算机“泰坦”的建设方是美国能源部，主要应用于美国能源部内部的核试验模拟。类似的还有“红杉”，这些国外超级计算机用途较为单一，基本只能适配某一方向的应用，但针对性、专业性更强。

总的来说，超级计算机从一开始算“地”（全球气候、各类模型等），到算“天”（宇宙探索），最后累积了海量经验与技术，从而发展到算“人”（人工智能）这个最贴近人类、也最复杂的课题上。2017年5月，在中国乌镇围棋峰会上，人工智能程序与世界排名第一的世界围棋冠军柯洁对战，人工智能程序以3∶0的总比分获胜。而早在很多年前，人类下象棋就不是超级计算机的对手了。

利用大气模拟模型生成的全球气候变化预测