了不起的中国制造

作者简介

网易新闻学院是网易传媒旗下的新闻研究机构。《了不起的中国制造》是新闻学院出品的一档科普栏目，通过与重点高校、科研院所和央企的深度合作，邀请行业权威、资深玩家撰稿，呈现中国在基建、交通、通信、科技等领域的突破和创新。栏目的标语为“从未停止追赶”，选题多从细处着眼，内容生动有趣又不失严谨，专业性、知识性和趣味性兼备。

内容简介

宇宙 137 亿年的演进过程，竟然是算出来的！ 张九儿 2014 年“天河二号”一鸣惊人，让很多人知道了享有“科学加速器”之称的“超级计算机”。那么，问题来了，何为“超级计算机”？ 顾名思义，“超级计算机”就是“超级”加“计算机”的超强组合体——它有着强大的计算能力和数据处理能力。平时，我们经常会抱怨自己的电脑“卡死了”，这与电脑的内存和运行速度有关。超级计算机就不会“卡”，因为它的优势就是“大容量”和“高速度”。那它究竟有多快？和我们平常使用的电脑比起来，就相当于火箭的速度和人类步行的速度对比。 在这样的运算速度下，很多复杂的科学问题可以通过数值模拟来进行解决，因此超级计算机也被生动地称为“国家经济发展与科学技术创新能力的加速器”。 说到这里，你可能就会觉得“超级计算机”这个词太玄幻，离我们的生活太远了，其实不然，它可以运用到我们生活的各个领域。例如，在电影产业中，你所熟悉的《阿凡达》里面的人物特效就是用超级计算机算出来的。当然，它还可以用来预测天气，研制新型材料，进行核试验模拟…… 运算 1 小时 =13 亿人同时用计算器计算 1000 年 说回“天河二号”，它曾连续 6 年稳坐世界超级计算机的第一把交椅，直至2016 年 6 月新一期全球超级计算机 500 强榜单公布，中国自主芯片制造的“神威太湖之光”才将其取代。 “天河二号”的速度到底有多快？峰值计算速度 5.49 亿亿次每秒、持续计算速度 3.386 亿亿次每秒，这样的计算速度是当时排名第二位的美国“泰坦”计算速度的 2 倍左右。在这样高速的运转下，“天河二号”仍可以连续运行 10 小时无故障，运行稳定性全球第一。有这样一个计算：“天河二号”运算 1 小时的运算量，相当于 13 亿人同时使用计算器计算 1000 年。 2015 年，北京师范大学天文系利用“天河二号”成功进行了 3 万亿粒子数中微子与暗物质的宇宙学数值模拟，揭示了宇宙大爆炸 1600 万年以后至今约 137亿年的漫长演化进程。 “天河二号”的特点是占地小、内存大。其由 170 个机柜组成，占地面积720 平方米，这与之前的“天河一号”占地面积相当，计算性能与计算密度却提升了 10 倍以上。其内存总容量为 1400 万亿字节，存储总容量达 12 400 万亿字节，这相当于存储每册 10 万字的图书 600 亿册。想想，以你的大脑要把这么多书“吃”进去要花多少亿年？ 此外，“天河二号”还有一大优势，就是耗电量低。这套系统功耗 17 808 千瓦，这样的能耗系统，一年大约耗电 2 亿度，看着数字比较大，但其实对比一下就知道了：同样的运算量，1000 台电脑连着网线运算 10 天就要耗费 1 万度电，而超级计算机只需 2 天和 5000 度电就能算出结果！ 低耗电量离不开高性能，“天河二号”的能耗比达到了 1.9GFLOPS 每瓦，而最绿色的超级计算机能耗比为 2.5GFLOPS 每瓦，“泰坦”能耗比为 1.95GFLOPS 每瓦，“红杉”为 2.17GFLOPS 每瓦，“天河二号”虽略逊于二者，但与“天河一号”相比，执行相同任务时耗电量仅为“天河一号”的三分之一。 延续自主创新的“新型异构多态体系结构” 一般而言，提升计算机运行速度，主要依靠更新 CPU 或者是提高 CPU 的运行速度。在计算机的发展中，CPU 的技术限制几乎达到瓶颈。增加集群 CPU 数量固然可以增加速度，但是集群运行速度并不会持续攀升，而是趋向某一峰值；而且，那么多 CPU 在一起，不仅散热是个问题，耗能也是一大阻力。所以，全新的超级计算机搭建方式亟待解决。 2010 年下半年，经过两个多月的装配与调试，“天河一号”另辟蹊径，创造了“CPU+GPU 异构融合体系”，因其低能耗、低成本、高集成度等优点成为国际主流。在此基础上，“天河”创新团队为“天河二号”设计出“新型异构多态体系结构”。这种结构不仅大幅度提高了系统的计算速度，还将其应用范围从科学计算拓展至大数据处理、大规模信息服务等多个领域。 将国产芯片运用到极致 “天河二号”有很多处理器。处理器的主要作用是资源管理，而每个处理器又有多个核。一个运算任务要均匀分配给众多的处理器，这就需要“调度指挥”，就像高铁也有自己的“大脑”来调度车辆，前端处理器调度的则是处理器。“天河二号”的计算节点前端处理器为 4096 颗中国国防科技大学研发的 FT-1500，16核心 SPARC V9 架构的处理器。为了保证计算机高效快速运转，不仅要保证集群 CPU，还要保证高速的网络互联性。想想，如果车速提上去了，但是道路不通，该有多么不便。也正是因为高速互联网络如此重要，所以早就被美国列入技术封锁的名单。“天河二号”互联方面采用自主研发的 Express-2 内部互联网络，高速互联架构使用光电混合传输技术，其有 13 个交换机，具体控制器是名为 NRC 的 ASIC 专 用集成电路，其采用 90 纳米工艺，2577 个引脚。这是国产芯片应用的另外一处地方，将国产芯片的作用发挥到了极致。 中国超级计算机更具“普适性” 迄今中国超级计算机的投资主要用于硬件开发，客户必须自己编写程序才能使用。一些用户或需要多年甚至十年时间来编写必要的代码。因为超级计算机在国内的发展速度已经远超于相应人才的培养速度，这导致超级计算机的软硬件技术之间出现巨大差异。不过，这也成就了中国超级计算机的“普适性”。美国的超级计算机研发目的都是自用。例如“泰坦”主要 用于美国能源部内部的核试验模拟，其超级计算机计算用途较为简单，基本只能适配于某一方向，但专业性更强。而国内的超级计算机更为开放，可针对更多用户。 中国的超级计算机之路已从最初受制于人的状态逐渐扭转，如今已呈现“三箭齐发”的态势——国防科技大学“银河”“天河”，北京“曙光”“星云”，无锡“神威”，这些都是中国科技的“加速器”，助力未来科学发展。 地铁隧道是怎么挖的？“笔尖钢”技术究竟有多难？指纹解锁手机的原理是什么？青藏铁路如何攻克高原冻土难题？关于中国制造，你好奇的，就是本书要介绍的！