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超算界下一頂皇冠

2020-01-23 10:58 來源: 招標采購導航網

  在美國《科學》雜志日前展望的2020年可能成為頭條的十大科學新聞中,關于中國有望建造出世界第一臺E級超算格外引人注目。E級超算是指每秒可進行百億億次數學運算的超級計算機,被全世界公認為“超級計算機界的下一頂皇冠”,其發展水平已成為衡量一國科技創新實力的重要標志。

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超級計算機的發展歷程

超級計算機是能夠進行大規模超算運算的計算機集群系統,通常用浮點運算速度來衡量其性能。1964年誕生的CDC6600被公認為世界上第一臺巨型計算機,其運算速度為每秒一百萬次。它是由西方稱為“巨型機之父”的西蒙·克雷博士研制成功。

從這以后,巨型機經過了五代發展,分別是單片機系統、向量處理系統、大規模并行處理(MPP)體系、共享內存結構和機群系統(CLUSTER)。

第一代的超級計算機是早期的單處理器系統,比如CDC7600、IBM360等。第二代是向量處理系統,上世紀70年代初,世界上最早的向量機STAR-100研制成功;1974年,世界上最早的SIMD陣列計算機誕生;1976年,CRAY公司推出CRAY-1向量機,開始了向量機的蓬勃發展。與此同時,第三代的大規模并行處理機開始了蓬勃發展。上世紀90年代初期,第四代共享內存處理系統興起,代表機型主要有中國的銀河三號、神威一號等。第五代是機群系統,目前新建的超級計算機大都使用機群式結構,如國外的“雷鳴”“閃電”和國內的曙光4000系列等。

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中國超算快速崛起

中國第一臺億次巨型計算機是1978年開始研制的“銀河-Ⅰ”,其運算速度能達到每秒1億次以上。它的研制成功使中國成為繼美國、日本之后第三個具備巨型機研制能力的國家。1992年11月,“銀河-Ⅱ”十億次通用并行巨型機研制成功,隨后“銀河-Ⅲ”等系列巨型機相繼研制成功。2009年10月,中國首臺千萬億次超級計算機問世,并登上世界超算巔峰。這標志著中國高性能計算機研制技術進入世界領先行列。2013年起,“天河二號”豪取世界超算500強六連冠。2016年,中國研制的“神威·太湖之光”,憑借每秒12.5億億次峰值計算速度,成為世界上第一臺運算速度超過十億億次的超級計算機。

2015年美國開始對中國施行超算芯片禁售,從產業鏈條和技術層面進行遏制。中國以創新為突破,完成了超算自主可控生態體系的初步建設?!疤旌右惶枴薄疤旌佣枴毙∫幠T囉昧俗灾餮兄频娘w騰CPU;“神威·太湖之光”安裝了40960個中國自主研發的“申威26010”眾核處理器,實現自主可控。另外,中國超級計算機在應用方面發展良好,高端應用連續兩次獲得國際高性能計算機的最高獎——戈登貝爾獎。

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超算速度不斷刷新

隨著技術的發展,超級計算機的運算速度不斷被刷新。

1996年12月,ASCI RED運算速度超過了萬億次/秒;2010年以前,美國IBM“藍色基因”超級計算機連續五年雄踞世界第一,峰值速度達到367萬億次/秒;2010年11月,中國“天河一號”首次成為世界上最快的超級計算機,實測運算速度可以達到每秒2570萬億次;2011年,日本K-computer第一次突破每秒一億億次,超越了“天河一號”成為當時全球最快的超級計算機;2013年中國的“天河二號”以每秒5.49億億次的峰值計算速度,成為“全球最快”;2016年,中國研制的“神威·太湖之光”,峰值計算速度達到每秒12.5億億次,性能更加穩定,成為世界上第一臺運算速度超過十億億次的超級計算機;2018年美國IBM“頂點”超級計算機完成超越,峰值計算速度達到每秒18.77億億次,據測算結果顯示,“頂點”一秒鐘的計算量就頂全人類15年的總計算量??梢?,美、日、中三國的超級計算機研制同處于世界領先水平,并形成了交替領先的格局。

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E級超算全球“搶位”

E級超算已經成為世界各國在超算領域追逐的新目標。美國首臺E級超算的交付時間預計在2021年左右;日本作為最早明確E級計算發展路線的國家,其目標是2020年研制成功第一臺E級計算機;歐盟首臺E級超算預計于2022年到2023年交付。中國的E級超算已超前布局,神威E級原型機、“天河三號”E級原型機和曙光E級原型機三個不同技術路線的原型機系統已全部完成交付。據美國《科學》雜志預測,中國有望在2020年建造出世界第一臺E級超算。

延伸閱讀

E級超算能“算天”“算地”“算人”

世界各國之所以對E級超算如此關注,主要因為超算對國民經濟發展和國防建設都有著重要價值,在很多領域都有重要應用。

海洋

海洋領域對E級超算有著巨大的應用需求。全球歷代最快超算都率先用于以海洋為核心的地球科學。海洋大氣、海洋動力環境、海底資源、海洋生物資源等領域的科學研究,都需要E級超級計算機為支撐。依靠E級超算的超級計算能力,能夠分析如浪潮流、渦旋等海洋現象的影響因素,可以預測如厄爾尼諾等氣候現象。E級超算對保障海洋國防安全、海洋經濟和生態安全均具有重要的戰略意義。

2018年,中國青島海洋科學與技術國家實驗室已經啟動了“PEZY”計劃,在超算的支撐下,通過大量的海洋觀測網和數字模擬分析、數據處理,開展“透明海洋”計劃研究。

天氣預報

超級計算機可用于模擬全球氣候變化,讓天氣預報更精準,時間更提前。超級計算機可以基于大氣的實際情況,在一定條件下計算求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組,預測未來一定時段內的大氣運動狀態和天氣現象。

現在中國的天氣預報正是因為應用了超級計算機,國內天氣預報可以精確到5公里,而省內可以精確至3公里,準確率能達到80%以上。

能源

能源領域是超算應用的主要領域之一,特別在石油勘探方面,超算被稱為“找油”利器。通過超級計算,就像給地球做CT,找油又快又準,極大地節約了石油勘探成本。2017年4月,英國石油公司應用超算技術在地震成像方面取得突破,在墨西哥灣深水區的Atlantis油田確定了超過2億桶的額外資源。

生命科學

在生命科學領域,基因測序、蛋白質和DNA大分子的結構預測、計算機輔助藥物設計等都伴隨著巨大的數據處理量和并行計算量,因此需要借助超級計算機來解決。據報道,完成500人規模的全基因組信息關聯性分析,利用原有計算機需1年,利用“天河二號”只需3個小時就可完成。相信隨著E級超級計算機的問世,超算將有助于人類實現重大疾病攻克、新藥研制等。

航空航天

隨著超級計算機的發展,超算在航空航天領域得到廣泛應用,從飛機設計到飛機制造,從工程仿真到智能控制,都可以看到超級計算的身影。借助超級計算機完成飛機研制,不僅可以極大地縮短研制時間,也可以降低成本。據報道,研制一架大飛機,過去需耗費2年時間做全機風動試驗,利用超級計算機模擬仿真,6天就能完成。

城市規劃

在城市規劃領域,超級計算技術以其強大的并行計算能力,可以為實時動態建筑模擬、建筑渲染、交通仿真模型等提供技術支撐,實現城市規劃“智能化”和“科學化”。

工業仿真

在工業仿真領域,超級計算技術的應用越來越廣泛。利用超級計算機強大的計算能力,工程師們可以在幾分鐘或幾小時內完成數千種設計方案的仿真和測試,而且還可以遠程查看設計效果和修改設計方案,從而有效縮短設計周期,降低研發成本。特別是在汽車研發中,許多主流汽車廠商的整車研發過程大都通過超算仿真設計來完成。

綜上可見,E級超算不僅有助于科學研究突破難點,而且還將改變各行各業,為人類創造更美好的生活。(毛秋紅)

  (作者為貴州省科學技術情報研究所副研究館員)來源: 北京日報 >

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油田, 能源, 汽車, 芯片, 單片機,
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