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从模仿到逆袭 中国超算70年发展简史

铁流 · 2019-10-02 · 来源:铁君
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  老文章发表于2016年,首发新华社瞭望智库。

  略作修改后重发,因为被盗版,所以用文字图片规避微信给盗版者的原创保护。

  

  

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  (夏培肃院士)

  1960年,夏培肃院士带队设计的107计算机研制成功,并被安装在北京玉泉路中国科学技术大学。107计算机是一台小型的串联通用电子管数字计算机,是新中国第一台自主设计的计算机,标志着中国的计算机从模仿到自主设计的跨越!中科大以107计算机为基础,编写了《计算机原理》和《程序设计讲义》,作为该校计算机专业、力学系、自动化系、地球物理系的教材。107计算机除了为教学服务外,还服务于潮汐预报、弹道计算、核物理、力学、微波等领域。

  

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  (107计算机)

  

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  在解决晶体管制造难题后,哈军工(慈云桂主持设计)成功研制出新中国第一台全晶体管计算机441B-I于1964年诞生,相对于美国于第一台全晶体管计算机RCA501晚了6年。441B系列计算机是我国第一台具有分时操作系统和汇编语言、FORTRAN语言及标准程序库的计算机。在天津电子仪器厂共生产了100余台,主要用于军工、科研、气象、油田勘探等,该机最大特点就是高可靠性和高可维性——1966年,北京举办计算机展览,恰逢邢台大地震,441B计算机是唯一不受地震影响,稳定运行的计算机。该系列机型平均使用15年以上。

  

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  1964年,吴几康成功研制119计算机,该计算机运算能力为每秒5万次,运算能力略强于美国于1958年制造的IBM 709计算机,IBM 709计算机的运算能力为每秒4.2万次。1965年,109计算机研制成功,该机由2万多支晶体管,3万多支二极管组成,稳定运行15年。109和119计算机在我国研制氢弹的历程中立下汗马功劳,被誉为研制氢弹“功勋机”。

  

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  1965年,中国自主研制的第一块集成电路在上海诞生,只比美国晚了5年进入集成电路时代。1972年,自主研制的大规模集成电路在四川永川半导体研究所诞生,实现了从中小集成电路发展到大规模集成电路的跨越。美国从中小规模集成电路发展到中大规模集成电路,用了8年时间(1960年到1968年)。而我们的前辈,在被美苏同时封锁扼杀之时,只用了7年就完成了从中小规模集成电路发展到中大规模集成电路的跨越(从1965年到1972年),他们的奉献和牺牲值得后辈铭记!

  

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  在这个时期,虽然西方技术突飞猛进,但中国在局部领域也追平西方,比如上海无线电十四厂于1975年成功开发出的1024位移位存储器,就基本达到国外同期水平;1979年研制的HDS—9计算机每秒运算500万次,是美国1972年的IBM 370-168计算机运算能力的两倍;中科院上海冶金所还独立发展了制造集成电路所需要的离子注入机,并出口到日本......截至70年代末,中国科研人员和产业工人发扬自力更生、自强不息的精神,建成了中国自己的半导体工业,掌握了从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全过程技术。

  

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  玻璃房子的耻辱

  在中国丧失独立自主研发制造计算机的能力后,美国政府严格限制对中国出口高性能计算机。在当时,高性能计算的应用涉及的基本是堪称国家“命脉”的领域,如国防军工、油气勘探、水电利用等。由于中国当时还没有自主研发的高性能计算机,所需要的计算机只能依靠进口,价格昂贵,维修管理困难。在1994年,中国进口计算机就花掉近20亿美元,维护费用动辄千万。

  原石油工业部物探局曾花费巨资购买了一台国外的大型机,后期集成与维护的费用对方公司竟开出百亿以上的天价。不仅如此,对方还提出了一个让中国IT人铭记了十几年的屈辱条件——在设备使用过程中,为防止机器核心技术外泄,设备机房采用全透明的玻璃墙壁,中国使用人员的一举一动都在外国人的时刻监控下,甚至连高性能计算机的启动密码和机房钥匙都要由外国人控制!于是在中国的土地上,有了“中国人不得入内”的玻璃房子——在将列强赶走40年后,中国的土地“中国人不得入内”又以这种形式重新上演了。

  为了彻底拆除“玻璃房子”,研发出完全拥有自主知识产权的国产高性能计算机,以曙光公司为代表的中国民族IT产业在走上了一条异常艰苦的自主突围之路。

  90年代初,为了彻底打破国外对高性能计算机的垄断,国家派出一支年轻精干的科研小分队,远赴美国硅谷去搞曙光一号的研究。当时的科学计算所所长李国杰在黑板上写下了“人生能有几回搏”七个大字,斩钉截铁的对几个年轻人说:“派你们去,就相信你们一定能把机器给造出来!” 在每天工作十五、六个小时,长达11个月的封闭式研究后,科研小分队成功设计出曙光一号核心部分。

  

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  (李国杰院士)

  在曙光一号的研发过程中,一些国外公司和国内买办对曙光一号研究小组的领头人李国杰院士说,“把钱给我,我给你造出来不就完了”。但李国杰院士坚持认为,高性能计算的核心技术必须掌握在中国人手中,这是一丝一毫都不能让步的,不仅要做整机研制,包括存储器在内的配件都要自己做。

  1993年,中国一台高性能计算机曙光一号并行机终于研制成功。曙光一号的战略效应可以说是立竿见影:就在这台高性能计算机诞生的第三天,美国便宣布解除10亿次计算机对中国的禁运!成功打破了国外IT巨头对我国信息技术的垄断,推动信息产业走上了自主发展的道路。

  中国超算逆袭

  在坚定了自主发展超算的决心,并将决心付诸于实践后,中国超算捷报频传:

  1995年,在只有十余名研究员,500万元经费的情况下,成功研发出曙光1000大规模并行计算机。曙光1000在整体技术上居中国之首,并达到了20世纪90年代前期的国际先进水平,其运行速度的峰值达到了每秒25亿次,在当时我国大规模科学工程计算中发挥了重大作用。曙光1000也荣获了1996年中国科学院科技进步特等奖和1997年国家科学技术进步一等奖。

  1998年,曙光2000问世,总体水平达到了90 年代同期国际先进水平,有些方面如机群操作系统、集成化并行编程环境和服务器聚集软件等已处于国际领先水平。2001年,曙光3000诞生,标志着我国超算产品正在走向成熟,能兼顾大规模科学计算、事物处理和网络信息服务,已然是国民经济信息化建设的重大装备。2004年,曙光公司研发出4000A,成为国内首台每秒运算超过10万亿次的超级计算机,并代表中国首次进入全球超级计算机TOP 500排行榜,位列第十位。

  2008年,曙光5000降生,曙光5000的系统峰值运算速度达到每秒230万亿次浮点运算,使中国成为继美国之后第二个能制造和应用超百万亿次商用高性能计算机的国家,也表明我国生产、应用、维护高性能计算机的能力达到世界先进水平。

  2009年,作为第一台国产千万亿次超级计算机天河一号在湖南长沙亮相。天河一号超级计算机性能为每秒1206万亿次的峰值速度,Linpack实测性能为每秒563.1万亿次,强劲的性能使天河一号位列中国超级计算机前100强之首,也使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家。2010年,国防科大对天河1号进行了升级,使天河1A的实测运算能力从天河1号的每秒563.1万亿次,提升至2507万亿次,成为当时世界上最快的超级计算机。

  2010年,曙光6000问世,曙光6000以实测每秒达1271万亿次的Linpack峰值速度,在2010年第35届全球超级计算机500强排名中名列第二。

  2012年,神威蓝光超级计算机投入使用。该超算使用了8704片申威1600,搭载神威睿思操作系统,虽然超算绝对性能并不高,但却是中国在“市场换技术”之后,首次实现了超算CPU和操作系统的全部国产化。神威蓝光超算峰值计算性能为每秒一千万亿次,持续性能为每秒796万亿次,性能功耗比超过741MFlops/W(百万次浮点运算/秒•瓦),LINPACK效率为74%。神威蓝光超算有两大特点,一是全部使用申威1600芯片,搭载神威睿思操作系统,实现操作系统和CPU全部国产化。二是性能功耗比高。神威蓝光超算性能功耗比超过741MFlops/W,天河1号超算性能功耗比431.7 MFlops/ W。

  

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  2013年,国防科大成功研制出天河2号,其高达55PFlops的性能使其傲视群雄,六度蝉联TOP500排行榜首位。虽然在计算节点上使用的是美国Intel的CPU,但天河2号也使用了4096片飞腾1500,用于高速互联网络系统。

  一直以来,别有用心之徒用天河2号使用美国CPU而认为其不具备技术含量,其实超算系统可以分为软件系统和硬件系统两部分。而超级计算机硬件系统主要由高速运算系统、高速互连通信网络系统、存储系统(I/O 管理结点和 I/O 存储结点)、维护监控系统、电源系统、冷却系统和结构组装设计等部分组成。CPU仅仅是其中的一部分,并不是超算硬件系统的全部,某些人以天河2号使用美国CPU而认为其不具备技术含量的说法是荒谬而可笑的。

  如果说天河2号、曙光6000、天河1号等超算使用了国外CPU是白璧微瑕。那么,2016年的神威太湖之光则实现了从CPU、操作系统等核心软硬件的全面国产化——其CPU申威26010由260个核心构成,双精浮点峰值高达3TFlops,完全追平了Intel最好的超算芯片。得益于申威26010强劲的性能和良好的体系结构设计,新超算的双精浮点峰值高达100PFlops。

  

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  诚然,如果神威太湖之光超算已经被两台美国新超算超越。而且川普对神威、曙光、天河三大超算的研发单位都进行了制裁。

  数月前,神威和天河E级超算原型机都已经完成研制工作。中美两国将在E级超算上开展新的竞赛,祝愿中国超算能够力拔头筹。

  

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