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“超強大腦”轉起來!如何讓中國超算“中看又中用”?

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2019年11月04日 10:02:41 來源:人民日報
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  每秒鐘運算十億億次、百億億次的超級計算機,正在為人們生產生活服務

  “超強大腦”運轉起來(科技視點·用好用實高科技①)

  隨著新一輪科技革命和產業變革不斷推進,新技術、新產品、新產業持續涌現,成為“科技創造美好生活”的鮮活注腳。走出實驗室,走上生產線,走進生產生活,高科技的誕生依托于巨大的研發投入,凝結著科技人員的巨大心血。著名科學家王選院士曾說過,高科技要“頂天立地”。只有實實在在應用好,才能真正有效發揮科技成果的支撐作用和科技創新的驅動效應,才能進一步促進科技研發的進步和完善。科技版近期推出“用好用實高科技”系列報道,聚焦高科技應用話題,敬請關注。

  ——編 者

日前,在紀念中國超級計算事業發展四十年暨國家超級計算天津中心成立十周年活動上,展示了“天河三號”百億億次原型機。 毛振華攝

  日前,第六屆世界互聯網大會上發布的《中國互聯網發展報告2019》顯示,我國網絡信息技術自主創新能力不斷增強,新一代百億億次(E級)超級計算機的原型機型研制完成。國家“十三五”高性能計算專項課題3個E級超算的原型機系統——神威E級原型機、“天河三號”E級原型機和曙光E級原型機系統也已全部完成交付。

  超算,即超級計算或高性能計算,是計算機界“皇冠上的明珠”,也被視為科技突破的“發動機”。隨著應用的不斷開發與完善,超算服務著科學研究、產業發展的方方面面,成為解決人類難題的“超強大腦”。

  超算在最尖端科研領域、最前沿產業領域取得一系列創新成果

  “編號為臺風胚胎96W的熱帶云團未來將緩慢向巴士海峽以東洋面靠近,強度將略有加強,而臺風胚胎97W則可能在大洋深處向著西北方向移動……”10月16日,衛星云圖上,一片片熱帶云團正在西太平洋上活躍,超級計算機早已對臺風胚胎有所覺察,并在集合預報中對它們的動向給出了判斷。

  “氣象領域計算機系統的建設與應用,提高了天氣氣候預報時效和為國家服務的水平。”中國工程院院士李澤椿說,上世紀80年代,我國建立首個中期(十天)數值天氣預報業務系統,計算能力當時就成為能否實行業務數值預報的關鍵,只有能力足夠大的計算機才能把業務方案中復雜的物理過程計算好,才能在規定的時段內計算出預報結果。

  從1983年我國第一臺每秒鐘運算一億次以上的“銀河一號”巨型計算機的研制成功,到曙光系列、天河系列、神威系列的相繼問世,我國成為世界上第三個具備研制高端計算機系統能力的國家。超級計算機成為高端信息技術又一新的制高點,對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。

  “超算技術不僅僅要放在實驗室里面做理論研究,更重要的是與行業應用、客戶需求相結合,為經濟社會發展帶來價值。”聯想集團高級副總裁童夫堯說。

  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;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;國家超級計算長沙中心的人工智能篩查機器人,3至5分鐘就能精確“問診”骨質疏松癥,準確率超過90%……

  目前,我國先后在天津、長沙、廣州等地建成6家國家級超算中心,在最尖端的科研領域——如大氣變化模擬、生命科學、天體物理的研究中,以及在最前沿的產業領域——如石油開采、新藥研發、工業仿真計算等課題中,取得了一系列創新成果。“天河一號”超級計算機已應用10年,是世界上連續穩定運行時間最長的超級計算機之一,它每天服務8000多個科研計算任務,累計支持國家科技重大專項和研發計劃超過1600項。新一代百億億次超級計算機“天河三號”原型機自2018年7月開放應用以來,目前已為30余家合作單位完成了大規模并行應用測試。

  “十三五”國家重點研發專項“高性能計算”總體專家組組長錢德沛認為,超級計算機的發展根本動力來自于需求。要研發一批關鍵的應用軟件,建立具有世界一流資源能力和服務水平的國家高性能服務環境,促進我國計算服務業發展。

  大數據時代,“融合計算”成為超算應用的關鍵詞

  隨著大數據、云計算和人工智能等新興技術的蓬勃發展,“融合計算”成為超級計算應用的關鍵詞。

  “進入大數據時代,對計算能力提出了非常高的要求。”中國石油東方地球物理研究院數據中心總工程師賴能和介紹說,石油勘探是超算應用的主要領域之一,超算堪稱“找油”利器。地球物理勘探技術相當于給地表“做CT”,產生的數據量可達到千萬億字節(PB)級別。為了提升勘探精度,必須使用超算技術來處理海量的數據。

  “超算與物理勘探技術實現了相互促進。如果沒有超級計算技術的話,物理勘探的很多算法無法實現,更談不上高精度勘探、高精度成像。”賴能和說。

  在汽車研發體系中,仿真計算扮演著關鍵角色,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,有效縮短研發周期,降低研發投入,提升產品的技術附加值。基于“天河一號”與云計算等技術的融合,國家超算天津中心構建了一個集高性能計算與可視化分析處理于一體的汽車研發公共服務平臺。在中國科學院計算所所長孫凝暉看來,超算未來也會以云計算的方式來提供服務、走向用戶。基于人工智能的高性能計算應用也呈加速態勢。在電力領域,仿真計算和人工智能識別技術相結合,就能更加準確地模擬、預知雨雪冰凍災害對電網造成的破壞。聯想研究院企業云和無線實驗室負責人黃瑩認為,傳統的高性能計算以高度的計算要求完成工作,“新的計算”要求人工智能模型與高性能計算更好結合。

  與人工智能、大數據的融合發展,也將促進下一代超算的演進。“可以預見的是,這些新技術也會對未來超級計算機的體系結構產生影響。”錢德沛說。

  從“制好”轉化為“用好”,讓超算真正“中看又中用”

  今年6月,國際超級計算大會發布了全球超算500強最新榜單。中國境內有219臺超算上榜,上榜數量連續第四次位居第一;“神威·太湖之光”和“天河二號”繼續排在運算速度第三、第四位;聯想、浪潮和中科曙光3家中國企業分別以173臺、71臺和63臺的數量位居全球超算制造商前三位。

  在運行應用方面,我國不僅實現了30年來國際高性能計算應用領域最高獎“戈登貝爾”獎零的突破,而且連續有項目入圍該獎項,逐步構建起相對完善的應用生態。在自主創新的支撐下,我國超算在應用方面展現出一定的實力。

  不過,還要看到,國內超算的制造優勢與應用優勢不相匹配,“重技術、輕應用,重硬件、輕軟件”問題仍較為突出,資源不足和資源利用不充分的現象同時存在。國內科研機構、企業不少重要應用仍需采購國外昂貴的商業軟件,一些大型企業研發的應用軟件多數停留在自研自用層面,缺少產業化推廣。如何扭轉產業應用不夠的局面,將“制好”優勢轉化為“用好”優勢,是我國超算亟待解決的問題。

  “用,不是簡單的用,而是要對機器性能、功能、使用方便性,包括需要什么樣的系統軟件、應用軟件等提出要求,這些要求正是我們研制超級計算機的目的。”北京航空航天大學教授、聯想集團首席科學家祝明發指出,只有讓產學研用結合,才能有效帶動超算健康發展。

  如何讓中國超算做到真正“中看又中用”?

  超算用得好,首先要立足于自主創新。“自主可控不是一個可選項,而是唯一的出路。”錢德沛指出,“自主可控和開放合作并不矛盾,我們只有自身強,有過硬的技術,才有可能廣泛地開展合作。”

  超算用得好,要加強對應用軟件研發的支持力度。錢德沛說,讓原本封閉使用的應用軟件“走出去”,讓成千上萬的人用起來,找到漏洞、進行改正,效率會提升,適配性、兼容性問題也會進一步解決。

  專家也指出,超算應用開發不足與配套人才較少直接相關,但目前培養高性能計算軟件人才的大學不多。應該立足行業,培養各類高性能應用軟件的開發及應用人才,特別是交叉型應用人才,積極拓展多種形式的學術界和產業界人才培養模式,補齊軟件人才短板。(記者 谷業凱)

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