科研人員調試天河一號。

當今時代,鮮有哪一個學科像高性能計算這樣在科學研究中運用如此廣泛、如此深入、如此前沿,對人類生活滲透如此普遍、改變如此之大。正如國家超算天津中心主任劉光明所說:“超級計算機算天、算地、算人,算過去、算現在、算未來……運用超算給大地做CT,可以又快又准地找到石油;運用超算分析人類基因,能夠解讀生命的奧秘;運用超算做風洞,設計的飛機可以飛得更快、更高、更省油……”

目前,有賴於超級計算機解決的挑戰性問題,涵蓋交通工具製造、氣象預報、生物信息、地震監測、地球科學、天體物理、公共健康、材料科學、人類/組織系統研究等人類科學和生活的每一個領域。高性能計算,現已走進各行各業、千家萬戶,人們的衣、食、住、行、樂,無時無刻不在分享着超級計算機算出的“紅利”。

“天河一號”誕生後,社會上出現一種論調:“研製超級計算機,在中國都是政府投資,僅僅是政治需要,而並非實際應用,並不像美國、日本,純粹是市場行為。”
這完全是混淆是非、顛倒黑白。

誠然,包括“銀河”“天河”在內的國產超級計算機研製,均由政府主導。但“紅彬”“泰坦”“京”等世界頂尖超級計算機研發,也是由美國、日本政府直接投資,IBM、Cray、富士通等公司聯合國家科研單位研製的,與中研發模式毫無二致。研發超級計算機,都是為了解決涉及國家安全與發展問題的重大科學問題和增強綜合國力,都不是純粹的市場行為和商業利益趨動,任何國家無不如此。

再說,從“銀河”到“天河”,都非常重視應用。研製“天河一號”時,超級計算機應用創新團隊,在宋君強帶領下,積極深入用戶第一線,逐家拜訪重點用戶和潛在用戶,了解他們對科學工程計算、大數據處理以及高吞吐率和高安全信息服務等多種 應用需求,在此基礎上提煉出對每秒千萬億次超級計算機設計的技術要求,不斷優化機器使用環境,同時向用戶宣傳每秒千萬億次系統特點,引導用戶學習和採用新 技術,促進了機器設計與應用的互補互促,為我國新一代超級計算機成為用戶“好用”“想用”的機型打下了良好基礎。“天河一號”投入使用後,構建形成了石油 勘探、生物醫藥、動漫與影視特效渲染、高端裝備製造、地理信息等五大高性能計算應用平台。


“天河二號” 研製戰役打響後,宋君強又帶領團隊針對多態應用多元需求問題,認真梳理規劃科研方向,在科學工程計算、超大資源規模的雲服務平台、大數據處理等方面進行一 系列創新完善,使天河二號更加“好用”“實用”。此外,科研人員通過多層次容錯設計,實現了超大系統的智能化管理,實現了自動監控、檢測、診斷、隔離系統 運行時出現的故障,全系統連續穩定時間比“天河一號”提高1.5倍,可靠性、可用性邁上一個新台階。

2014年11月,國際TOP500機構首先發布第44屆世界超級計算機500強排行榜,“天河二號”當仁不讓地榮獲“四連冠”。次日,國際TOP500 組織首次正式發布主要考查超級計算機應用性能的HPCG排行榜,“天河二號”又是位居世界第一,成為運算速度、應用性能雙科“狀元”。
  

科研人員仔細檢查天河一號系統節點。

目前,我國已建成國家超級計算天津中心、國家超級計算濟南中心、國家超級計算長沙中心、國家超級計算深圳中心、國家超級計算廣州中心等五個國家級超級計算中心。此外,還有成都、合肥、上海等區域超算中心。

由國防科技大學與天津濱海新區共同建設的國家超算天津中心,是我國建設最早、規模最大的國家級超算中心。這裡不僅裝配了擁有140組機櫃、曾於2010年11月榮獲國際TOP500排名第一的“天河一號”二期系統,而且還配置了計算速度達到每秒百萬億次的“天河 天騰”、含有128年Intel-EX5675CPU的“天河 天翔”、包含96年CPU的“天河 天馳”等三套超算系統。

高端、系統、完備的配置,成就了天津中心計算能力的“中國之最”。它就像一柄鋒利的犁鏵,為中國在高科技領域開闢出一方方肥沃的“處女地”。


生活在現代的人們,離不開石油幾乎像離不開水一樣。可石油在哪呢?一想到這個問題,人們的頭腦中就會出現幾個身穿紅色工作服、頭戴紅色安全帽、背着沉重設備的地質勘探人員拿着小鐵錘在江河湖畔的岩石間敲敲打打的場面。快速發展的計算機技術早已把這種原始的“找油”方法送進了歷史博物館。現在人們運用超級計算機對人造地震波的反射數據進行科學計算,建立大範圍三維地質模型,就可以還原某地區的地質構造,進而確定石油、天然氣的具體方位及儲量,計算機運行速度越快,勘探速度越快、越精確。

天津中心與國內相關研究機構強強聯合,成立了“天河石油物探計算中心”,構建了完善的重點面向中國石油、中國石化、中國海洋石油的地震物探數據處理與物探 信息管理平台,大力開展石油物探數據處理開發與應用,成功設計出擁有完全自主知識產權的石油三維立體偏移軟件,扭轉了在該領域受制於人的局面,推動了產業 技術進步與協同創新。

基於“天河一號”的這些技術優勢,中石油東方地球物理公司先後完成了多塊上千平方公里的大連片、高頻次覆蓋的大數據項目。
  

天河一號超級計算機系統。

人類對自己生生息息的這個星球,幾千年前、幾萬年前、幾億年前是什麼樣子呢?它又是怎樣變成今天這個樣子的呢?要解開這一個個地球的謎團,像哥白尼、布魯 諾等先輩們那樣,僅憑一顆腦袋、一雙肉眼,外加一副天文望遠鏡,顯然遠遠不夠,而必須依靠超級計算機進行數值模擬,全面系統地研究各種物理、化學、生物變 化過程。“天河一號”在該領域研究中已顯露出不凡身手。

現在“天河一號”已成為中科院大氣物理所、國家海洋局、國家氣象局等機構的研發模擬平台。它通過模擬全球氣候變化和海洋環境變化,對人類未來生存環境有了一定認識,為確保人類社會可持續發展提供了科學數據。


“天河一號”開展的“高分辨率海洋環流模式LICOM研究”,是我國首次利用自行發展的渦分辨率海洋模式完成長期數值模擬試驗,並得到了準確有效的試驗數據。

中科院軟件所運用“天河一號”完成的“地球外核熱流動數值模擬”,在世界上首次實現了對600億未知數的超大規模數值模擬。
中科院的科學家們稱讚“天河一號”:“與IBM藍色基因等世界強國引以為豪的超算系統相比毫不遜色,計算結果與世界同步研究水平相當,甚至更高!”
支持自主知識產權藥物研發,是天津超算中心的重要使命之一。

對於超算對人類健康所作的貢獻,“天河一號”重要用戶之一、天津國際生物醫藥聯合研究院的科學家有個現身說法:“過去我們研發一種新藥,要投資10億美 元,進行10萬次化合物篩選,經歷10年時間。現在我們用‘天河一號’篩選一個星期,就可以完成過去一年的篩選量,大大縮短了研發周期、降低了研發成本, 還能為新藥研發提供嶄新思路,高性能計算在藥物研發領域的應用,是藥物行業的一次革命。”

中科院上海藥物研究所的科學家也身同感受:“我們在‘天河一號’上通過計算模擬與藥物實驗相結合,確證了一個全新的藥物作用位點。在天津中心直接進行藥物 設計,未經任何化學作用就獲得了一種對某種疾病療效顯著的藥物。我們還在這裡成功開展了‘重大心血管疾病相關GPCR新藥物靶點基礎研究’。”
“天河一號”在藥物開發中的成功應用,足以讓艾滋、癲癇、糖尿等病人重新樹立起戰勝頑疾的信心。
  

天河一號超級計算機系統。

航空航天,是大國角逐的焦點領域。“天河一號”是我國大型航天、航空飛行器設計空氣動力學模擬及新型發動機研製的重大平台。目前擁有航天某研究院、北大工學院、國家計算流體力學實驗室、商業飛機北京研究中心、試飛院、力學所等眾多重大用戶,已成功完成“某大型飛機整機氣動模擬”“基於某機型的大型飛機虛擬試飛環境”等重要課題研究。


大氣霧霾,在近年已嚴重到幾乎讓人談霾色變。為弄清霧霾形成區域、形成過程,及與之關聯的物理、化學、生物因素,建立相關模型,作出準確預測,中國氣象科 學研究院、國家氣象中心、清華大學、國家超算天津中心等機構攜手合作,使用了“天河一號”10%-20%的計算資源,建立和完善數字模擬模型。目前該項研 究已獲得關鍵性進展,可望在三五年後對霧霾氣候作出精確預報,並為國家制定區域發展規劃提供相關評估數據。

“智慧城市”,不僅已成為常掛在人們嘴邊的時髦詞彙,而且已是人們漸行漸近的願景。所謂“智慧城市”,就是實現物聯網基礎設施、雲計算基礎設施、地理空間 基礎設施“合三為一”,對城市運行進行綜合感知,對城市需求作出智能響應,對城市活動進行智能管理。其中的公共交通、公共健康、公共信息、公共能源等數以 百計的要素管理,都需要超算技術的支撐。

天津超算中心在“智慧城市”建設中積極作為,參與了分別在天津、鄭州開展的國家“智慧城市”試點建設,形成了寶貴的技術積累。以後,他們還將開展大數據、 大數據與高性能計算融合、大數據與雲計算融合等關鍵技術攻關,為華北地區油氣勘探、生物信息、環境、交通、新能源等領域的新興產業,以及政府決策、社會保 障、科學管理等構建超算平台,為“智慧濱海”大數據處理提供技術支撐。
  

2010年天河一號世界超級計算機500強冠軍證書。

在20世紀80、90年代,港劇、台劇曾一度成為內地觀眾趨之若鶩的文化品牌。隨着時光之駒跨入21世紀,內地影視工作者驕傲地宣布“內地劇目的收視率已遠超港台”。現在,人們又對以“阿凡達”為代表的美劇動漫特效所傾倒。為打造國產動漫品牌,天津中心創建了電影修復、影視後期特效、3D動漫渲染、蟲蛀特效渲染等超算應用平台,並已在影視劇製作中初試牛刀。


堅信不遠的將來,中國影視製作者也會驕傲地宣稱“美劇不再是偶像”。

大工程設計領域,“天河一號”也有諸多可圈可點的建樹:

“天河一號”突破了大型複雜製件全工序模擬周期長、精度低等瓶頸問題,大幅縮短產品開發周期、提高產品質量、節省研發經費,增強了企業國際競爭力;
天津汽車模具有限公司,運用“天河一號”進行600萬單位仿真,技術水平達到國際先進,被通用、奔馳等國際超一流企業列為專業合作夥伴;
天津大學化工學院在“天河一號”上首次實現了熱回收焦爐的三維全過程仿真;

天津一汽運用“天河一號”開展安全設計與分析仿真,將整車碰撞模擬由原來的三天縮短為兩個小時;
……

此外,配置於國家超級計算長沙中心的“天河一號”系統,自2011年在湖南大學投入運行後,極大提高了華中地區高性能計算能力,顯著增強了氣象預測、災害防治、環境保護等公共能力,以及高等院校、科研院所的服務能力,尤其是為裝備製造、鋼鐵冶金、汽車工業、生物醫藥、動漫設計等產業提供了高性能計算平台。

“天河一號”的應用成果,就像天河裡的星星,實在難以一一細數。還是用幾組數據來說話吧。
國家超算天津中心自投入運營以來,“天河一號”已先後為500多家重點用戶提供質量高性能計算服務,其中包括中石油、中石化、中海油、華大基因、天津藥物 院、中船重工、中國一重、天汽模、中科院、國家地理信息中心、國家海洋局預報中心、中國氣象局、軍事醫學院、國家天文台、天津大學、北京大學、中國科技大 學等高端用戶。

在“天河一號”上,每天有1000多個應用程序在同時運行,對應的創新項目多達數百個。

“天河一號”支持國家“863”“973”計劃項目50餘項,國家自然科學基金項目近400項,其他重大項目20餘項。


“天河一號”開始運行後,平均使用率達到80%以上,在業內屬於“超負荷”,國內凡對超算有需求的用戶基本上都使用過“天河一號”。
  

天河二號超級計算機系統。

“天河二號”誕生並勇奪世界桂冠之時,正值以習近平為總書記的黨中央發出“中國夢”偉大號召之際,亦是我國經濟發展模式由“中國製造”向“中國創造”飛躍 的關鍵時期,民族崛起的願望、科學創新的需求,給“天河二號”應用增添了兩大強力磁場,百萬人量級全基因組分析、高通量虛假藥物篩選、大型裝備結構設計、 超大規模暗物質宇宙學模擬等眾多重要用戶,浪潮般湧向國家超算廣州中心。

廣州中心儘管一邊調試系統一邊投入運營,可用戶在半年內依然達到80多家,開展了100多項“863”“973”計劃項目應用計算。僅2014年4月,超過百萬核的大規模實際領域應用就有6個。目前,“天河二號”用戶已達到近200家。

這些應用研究,在大飛機設計、高分辨率對地觀測、基因測序、生物醫藥、智慧城市、電子商務、雲計算、信息服務等多個領域獲得成功,取得顯著的經濟、社會效益,創造了多個“世界第一”:

在“天河二號”上進行的C919飛機高數度外流場氣動計算,在國際上首次實現了全機複雜構型高精度大規模數值模擬,為型號研製提供了至關重要的科學數據;
運用“天河二號”進行的超高分辨率全球中期數值天氣預報,實現了國際最高分辨率,使我國在該領域研究領先於世界。
中科院上海藥物研究所在“天河二號”上進行了75萬個小分子化合物親和力評估,完成了600多個各個藥物的體內外活性測試評估,為治療惡性腫瘤、乙型肝炎、糖尿病等頑疾提供了新途徑。
……


華大基因,是中國生物界大數據的主要產出者,也是“天河”超級計算機的典型用戶。“天河一號”二期系統落戶天津後,華大基因使用了她近一半的計算量。“天河二號”誕生後,華大基因又是她的重大用戶。

華大基因為何對“天河”情有獨鍾?華大基因董事長說:“為我國超級計算機發展的艱難而感慨,我們中國基因組大科學發展也經歷了同樣的曲折。今天具有全球最 強生命大數據產生能力的華大基因與世界最強計算能力的‘天河’系列緊密結合,進行生物超大數據計算,正在為生物育種和醫學健康帶來根本性的變革。基因科技 造福人類、引領新興生物經濟的時代,近在咫尺。”

隨着“天河二號”正式運行,集高性能計算、海量數據處理、信息管理服務於一體的國家超算廣州中心,將廣泛應用於高新技術產業、現代服務業、數字城市建設及科研創新等領域,成為華南地區乃至全國產業轉型的強大引擎。

國家超算廣州中心計劃於2015年內將計算能力提升到10億億次以上,成為世界最頂尖的超級計算中心。
  

科研人員正在調試天河二號超級計算機系統

“天河”超級計算機還成功地跨出國門,完成國際或地區項目10餘項,成為中國在這一領域國際合作的使者。

2011年後,天津中心與美國、亞太地區、歐盟地區超算中心和高性能計算機構廣泛開展交流合作。美國橡樹嶺、勞倫斯-利沃莫爾、勞倫斯-伯克利、阿貢、西北太平國家實驗室、德國尤利希超算中心等研究機構,派出代表團訪問天津中心,並開展了多項合作研究。2012年,科技部指定天津中心為“超級計算技術創新研發國際科技合作示範基地”。

國家超算廣州中心裝配“天河二號”後,與英國國家超算中心簽署了戰略合作備忘錄”,敞開了為國外研究機構服務的大門。德國慕尼黑工業大學運用“天河二號” 模擬美國加州蘭德斯1992年大地震,美國佐治亞理工學院在這裡開展抗艾滋病毒藥物作用機理研究。慕尼黑工業大學取得的研究成果,入圍國際高性能計算應用 最高獎“戈登獎”。


中國超算,強國夢之超級英雄!  

天河二號超級計算機系統。
  

2014年天河二號世界超級計算機500強“四連冠”證書。
  

天河二號超級計算機系統。