作為我國高性能計(jì)算領(lǐng)域里一年一度的盛會，高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會總會給業(yè)界乃至世界帶來一些驚喜。

　　去年年會上公布的國內(nèi)高性能計(jì)算百強(qiáng)中，國產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)雄踞前三名，而且第一名的天河一號系統(tǒng)位列當(dāng)年發(fā)布的全球高性能計(jì)算500強(qiáng)的第5位。在今年10月28日~29日舉辦的年會上，國產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)囊括了前7名，而經(jīng)過優(yōu)化升級后的天河一號奪得將于今年11月發(fā)布的全球500強(qiáng)桂冠幾無懸念。

　　年會也給我們帶來一些思考。作為國家競爭力組成部分，高性能計(jì)算不僅面臨著在性能上不斷突破的挑戰(zhàn)，還面臨著把這種超級計(jì)G的能量在更多的應(yīng)用領(lǐng)域釋放出來，以滿足各行各業(yè)用戶需求的壓力。

　　超級摩爾定律

　　在過去的30多年里，高性能計(jì)算的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算性能以每10年提高1000倍的速度，幾近線性地完成了從百萬億次(106)、10億次(109)、萬億次(1012)到千萬億次(1015)的跨越，預(yù)計(jì)在2020年之前，高性能計(jì)算將會再提高1000倍，從而突破百萬萬億次(1018)大關(guān)。

　　在高速發(fā)展中，高性能計(jì)算完成了從專用CPU到以x86通用CPU為主、從單核到多核、從向量機(jī)到集群、從由CPU組成的同構(gòu)系統(tǒng)到以CPU和GPU共同組成的異構(gòu)系統(tǒng)的提升。如今，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間的通信網(wǎng)絡(luò)也正在完成從局域網(wǎng)向InfiniBand的過渡。

　　功耗問題在性能不斷提高過程中變得日益突出，令普通的PC用戶難以想象。以天河一號為例，如果采用CPU的同構(gòu)架構(gòu)，每天僅電費(fèi)開支就會超過15萬元，而如果采用CPU+GPU的混合架構(gòu)，在同樣性能指標(biāo)下可以節(jié)省2/3的功耗。

　　作為混合架構(gòu)的新貴，GPU無疑成為本次年會報(bào)告中涉及范圍最廣的熱門技術(shù)。雖然GPU的浮點(diǎn)運(yùn)算能力是CPU的數(shù)十倍，但功耗相當(dāng)，因此同樣存在因?yàn)榘l(fā)熱而引發(fā)的“0”“1”翻轉(zhuǎn)問題。這在GPU圖形應(yīng)用中只是暫時(shí)影響一個(gè)像素，而在高性能計(jì)算敢馕蹲耪個(gè)計(jì)算的失敗，甚至用戶無法確認(rèn)每次運(yùn)算結(jié)果是否正確。記者注意到天河一號、星云等國產(chǎn)高端系統(tǒng)都采用了具有糾錯功能(ECC)的GPU，從而確保了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

　　高性能計(jì)算高速發(fā)展的背后是美、日、中三個(gè)高性能計(jì)算機(jī)強(qiáng)國之間的激烈競爭。

　浮拔夜在高性能計(jì)算機(jī)研制方面取得了長足進(jìn)展，在性能指標(biāo)上達(dá)到世界領(lǐng)先，但競爭還是非常激烈。今后兩年，美國和日本將會有若干萬萬億次高性能計(jì)算系統(tǒng)投入使用，這將拉開美日與我國的距離?！北本┖娇蘸教齑髮W(xué)教授錢德沛在談到我國高性能計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)時(shí)表示：“我國在CPU、互連、I/O、系統(tǒng)軟件、算法等核心關(guān)鍵技術(shù)上還有很大差距，缺少跨學(xué)科的人才，多學(xué)科協(xié)作研發(fā)尚未形成風(fēng)氣，應(yīng)用與世界先進(jìn)水平差距較大，在可持續(xù)發(fā)展上需要政府持續(xù)投入和科技界與工業(yè)界的持續(xù)努力?！?/P>

　　應(yīng)用應(yīng)該無處不有

　　“高U能仿真技術(shù)可以研究已發(fā)生、尚未發(fā)生或設(shè)想的現(xiàn)象，可以研究難以達(dá)到的微觀、中觀或宏觀的世界，具有綜合、協(xié)同、繼承和互操作的特性，因而成為現(xiàn)代科學(xué)研究中求解高度復(fù)雜問題的重要科學(xué)手段，并與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并列為認(rèn)識與改造世界的三種重要的科學(xué)研究手段?！敝袊鳸程院院士李伯虎表示。

　　高性能計(jì)算不僅在像宇宙起源這樣超長超大時(shí)空環(huán)境下的模擬、深空探測這樣在地面無法進(jìn)行的模擬中發(fā)揮著獨(dú)到的作用，而且能用更少的時(shí)間與金錢代價(jià)和更高的效率來替代或者驗(yàn)證現(xiàn)實(shí)過程中的模擬和實(shí)驗(yàn)。

　　我國西部不僅蘊(yùn)藏著全國U80%的水力資源，同時(shí)，近代82%的強(qiáng)震也集中在該地區(qū)。中國水利水電科學(xué)研究院不僅成功地將高性能計(jì)算用于高壩地震相應(yīng)分析，而且有的計(jì)算結(jié)果還修正了以往小尺度實(shí)物模擬時(shí)出現(xiàn)的較大偏差。

　　化工、制藥、冶金乃至沙塵暴這些風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域，在中科院過程工程研究所研究員葛蔚看來，在算法上同屬于多尺度數(shù)值模擬問題，即在仿真模擬中既要研究可能小至分子原子個(gè)體的微小顆粒的運(yùn)動規(guī)律，又要在數(shù)米乃至數(shù)千米尺度上研究微小顆粒個(gè)體之間的相互作用。這種多尺度的問題沒有高性能計(jì)算是不可想象的，而高性能計(jì)算在過程工程上的應(yīng)用卻倘肆糲魯浞值南胂罌占洌翰槐匾宦接一爐地冶煉來獲取新的合金配方，也不必像神農(nóng)嘗百草那樣去尋找新的藥品，化學(xué)家也會用計(jì)算機(jī)取代實(shí)驗(yàn)室的瓶瓶罐罐和各色試劑。

　　美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家Phillip Colell曾將涵蓋工程模擬問題的算法歸納為7種。如今這些算法都可以移植到GPU上，區(qū)別只是移植難度和程度。換言之，高性能計(jì)算應(yīng)該或者說未來應(yīng)該無處不在。

　　“1998年，美國一個(gè)化學(xué)家因計(jì)算化學(xué)的研究而獲得諾貝爾獎。我國的化學(xué)界還比較扭捏，到現(xiàn)在還稱之為理論化學(xué)，而不叫計(jì)算化學(xué)，”中科院軟件所首席研究員孫家昶說，“我們與物理學(xué)家已經(jīng)很好地合作了，但與化學(xué)家的合作才剛剛開始?！?/P>

　　只有相關(guān)行業(yè)的專家參與，高性能計(jì)算的應(yīng)用才能推廣，高性能計(jì)算自身進(jìn)而才能得到持續(xù)發(fā)展。

　　百萬萬億次的挑戰(zhàn)

　　按照高性能計(jì)算過去30多年的發(fā)展規(guī)律，每秒浮點(diǎn)運(yùn)性能將在未來十年內(nèi)迎來百萬萬億次。這1000倍性能的提升帶來的挑戰(zhàn)是空前的。

　　聯(lián)想集團(tuán)首席科學(xué)家祝明發(fā)認(rèn)為，功耗將成為最大的挑戰(zhàn)，假設(shè)按照現(xiàn)有的雙核CPU搭建，僅CPU的總運(yùn)行功率就高達(dá)500千千瓦，電費(fèi)即便按0.5元/千瓦時(shí)計(jì)算，也高達(dá)600萬元/天。如何將系統(tǒng)Чβ氏拗圃20千千瓦將會是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，來自系統(tǒng)方面的主要挑戰(zhàn)有：10~100PB(1015字節(jié))內(nèi)存和EB(1018字節(jié))外部存儲帶來的帶寬與延時(shí)以及功耗限制的挑戰(zhàn)，并發(fā)性和局部性的挑戰(zhàn)，來自系統(tǒng)恢復(fù)的挑戰(zhàn)等。

　　祝明發(fā)認(rèn)為，應(yīng)對百萬萬億次的挑戰(zhàn)必須要全方位地創(chuàng)新，包括硬件與體系結(jié)構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)與編程方法，算法、工具、應(yīng)用和運(yùn)行系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)以及低功耗高可靠、可恢復(fù)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面?！?000倍的跨越，是靠兩倍、3倍的跳躍積累而成”。

　　美國航天航空局(NASA)Langley研究中心Singleterry博士則提到了另一匚侍猓骸癗ASA高性能系統(tǒng)的內(nèi)核數(shù)每4年翻5倍，從2004年的10240個(gè)內(nèi)核、2008年的51200個(gè)，到2012年預(yù)計(jì)將達(dá)256000個(gè)，而到2016年將達(dá)到1280000個(gè)。而算法是否也能每4年翻5倍，從2008年的2000個(gè)增加到2016年的50000個(gè)?“未來是把錢花在更大和更好的硬件上，還是花在擴(kuò)展性更強(qiáng)的算法上?”

　　即便是在超級電腦跟前，還是要發(fā)揮人腦的作用?！安粌H要注重算法的優(yōu)化，而且還要重視建模。” 孫家昶說。

　　算法的挖潛所帶來的效率可以起到讓軟硬件此長彼消的作用，進(jìn)而顯著降低應(yīng)用對系統(tǒng)硬件性能的要求。