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          超級計算機到底能干啥

          時間:2018-10-13 23:24來源:Office教程學習網 www.12042044.com編輯:麥田守望者

          “天河二號”超級計算機機房視覺中國供圖

            除了呼呼的風扇聲,賽場一片沉寂,在場的上百名大學生緊盯著電腦,手指飛快地敲擊鍵盤。

            這群平均年齡不到22歲的大學生,面對的是當下最前沿的研究:機器閱讀理解、獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電鏡技術、美國國家航空航天局(NASA)的流體力學模擬軟件……

            面對海量的數據,清華大學的大四學生李北辰估算后決定調整方案,“幾乎沒法跑完”。臨到結束,他甚至能聽到自己的心臟“咚咚”地跳動。

            這是2018年世界大學生超級計算機競賽(簡稱ASC18)的現場,在2天20小時的規定時間里,每個隊伍需要自己搭建小型超級計算機,完成組委會布置的4道題目,運算的結果將作為最后成績的評分依據。

            李北辰隊伍搭建的機器的運算能力,約為1萬臺現在市面上主流家用電腦運算能力之和,但相比目前世界上最快的超級計算機“神威·太湖之光”,他們的算力還不到百分之一。

            在幾個國家超級計算中心的超級計算機里,日夜運行著全國各地發來的運算指令。不管是天文觀測、航空模擬計算,還是天氣預報、生物醫療等日常生活的需求,都需要超級計算機的支撐。

            “超級計算機的研究水平決定了一個國家的尖端科研實力。以天氣預報為例,如果計算明天天氣的時間超過一天,那這個預報就毫無意義了。”國家超級計算濟南中心主任張云泉告訴中國青年報·中青在線記者。目前中、美、日、俄等國對高性能超級計算機研究大力投入的背后,也是搶占科研制高點的競賽。

            1后面17個0

            這是一個以萬億為計量單位的世界。

            在超級計算機領域,有著一份世界500強榜單。根據最新的排名,如果一臺機器的運算能力達不到500萬億次每秒,它將被無情地“除名”。衡量超級計算機的標準“簡單粗暴”:運算能力夠快。上一代超級計算機使用的架構與目前主流的不同,現在的技術將來也可能被量子計算機取代。

            這份榜單每隔半年更新一次,總是能引起全世界的關注,人們津津樂道冠軍的更替,哪個國家上榜的超級計算機最多、總算力最高還被美國總統寫進國情咨文。

            2013年至今,中國自主研發的超級計算機就一直穩坐榜首。最近兩年,這個位置屬于“神威·太湖之光”,它的峰值運算速度達到每秒12.5億億次,“1”后面17個“0”,大致相當于200萬臺普通電腦同時運行。

            但它遠不止是堆積用于運算的中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)這么簡單。張云泉告訴記者,超級計算機的運算速度不遵循“1+1=2”的公式,還得考慮它們之間工作分配、數據傳輸的損耗。“這就像領導10個人和領導1000個人的區別,如果不能合理管理,每個人的工作效率都會大大降低,即每個CPU和GPU的性能都沒有得到充分運用。”

            在國家超級計算濟南中心,“神威·藍光”超級計算機黑色的機箱緊密排布,圍成一個大圈,被小心安放在數百平方米的一樓大廳內。當這臺研發費用數億元的機器運轉時,功耗是1兆瓦,大致相當于1.5萬戶家庭的家電功率總和,每年僅電費一項支出就接近2000萬元人民幣。

            相比國家超級計算中心的“大手筆”,李北辰參加的ACS18則要求機器總功耗在3000瓦以內,這意味著能使用的CPU、GPU數量有一個上限。

            為了最大化利用它們的運算能力,他們必須精打細算,一方面仔細分配每個節點的運算內容,另一方面還要簡化復雜的運算,讓每個節點能同時計算盡可能多的內容。

            在這次比賽中,他們隊伍用了16塊GPU,總價值超過60萬元人民幣。為了分攤風險,幾位隊員一人負責幾塊,小心翼翼地將這些寶貝從學校的實驗室運到比賽現場。賽前,場地上趴滿了選手,大家都在緊張地安裝和調試設備。

            租用超算一天,花費上萬元

            比賽開始不多久,參賽的選手就開始冒汗。除了心理因素,還因為現場設備高速運轉時,會釋放大量的熱量,隊員戲稱“可以攤雞蛋了”。每個GPU都必須配備降溫風扇,否則就會因溫度過高而停止運行。

            對超級計算機來說,如何有效地帶走這些“大腦”思考時散發的熱量一度是發展瓶頸。在國家超級計算廣州中心,工程師專門建造了冷水廠,不間斷運送8攝氏度的水進入“天河二號”的水冷系統。

            機房還安排人員24小時值班,監控機器的運轉狀況,清理垃圾進程,實現效率的最大化。“是機器就有損壞和出問題的概率,怎樣讓它們的影響盡可能小也是門學問。”張云泉說。

            李北辰曾參加另一場大學生超算競賽,48小時不間斷地比賽,他和隊員只能輪流睡覺,保證有人時刻盯著機器運行。此外,組委會還隨機對賽場斷電,考查程序及時備份的能力。在實際使用中,這些都是極可能出現的挑戰。

            中山大學腫瘤防治中心的博士后趙齊對此深有體會,他所在的團隊是最早用“天河二號”測試生物應用的團隊之一。因為需要處理大量的生物基因組數據,他們從2012年起就開始使用超級計算機。

            他告訴中國青年報·中青在線記者,他曾遇到各種奇怪的報錯和任務丟失,環境配置也不定時出問題,經常算出他自己都不敢相信的結果。

            這是因為生物信息領域在超級計算機上的應用還在起步階段,成熟的軟件不多,很多時候需要用戶和超算中心的工作人員合作開發解決問題。

            在過去5年,光他一個人就用“天河二號”處理了超過100TB的數據。超級計算機能在幾天或幾小時里,處理一般計算機半年乃至幾年才能處理完的工作。以前,等待運算結果是他最苦悶的時候,“用上超級計算機算是奔小康了。”

            因為需要處理的數據太多,網絡傳輸較慢,趙齊有時會采用郵寄硬盤的方式,“郵遞員最快”。

            只是這樣的代價很高。趙齊所在的實驗室每年消耗在數據存儲上的錢就在5萬元左右。租用超級計算機進行數據處理,有時一天就會花費上萬元。

            對多數用戶來說,使用超級計算機和自己的電腦沒什么區別,登錄賬號,上傳數據就行了,運算遠在千里之外進行。

            超算世界500強前兩名是中國

            當你拿起智能手機,向語音助手詢問天氣,遠在美國的超級計算機在不到1秒的時間里理解了你的意思。甜美的女聲播報的結果,則由濟南、廣州、無錫等多地的超級計算機共同計算得出。

            大量影視公司利用它進行后期特效處理,傳統制造業也倚仗這個技術,部分公司洗衣液的瓶子都是超級計算機設計的。

            有了超級計算機,研究者可以模擬出人類器官對藥物的反應,大大縮短新藥的研發時間,節省成本。在抗埃博拉病毒藥物的篩選中,超級計算機能夠在一天內完成超過4000萬分子化合物的篩選,以最快的速度應對爆發性惡性傳染病。

            此外,使用超級計算機進行核爆炸模擬還是美國研究核武器的方式。

            過去,超級計算機的主要任務是進行科學計算。最近幾年,有關人工智能的運算請求也越來越多。

            為此,ASC競賽也開始引入人工智能的問題,李北辰打比方說,過去他們的工作類似于計算式子的結果,但現在,他們更像是在做應用題,要先讀懂問題,從中抽象出式子,再進行計算。

            目前,“天河二號”的用戶已經超過1200家,包括各大高校、研究所,支撐國家級課題超過400項。

            2001年時,超級計算機500強名單中沒有一臺來自中國。而現在,榜單前兩名都被中國占據。此外,中國的上榜數量達到204,排名第二的美國只有143。

            2015年,美國開始對中國超級計算機領域施行芯片禁運,在那以前,美國對中國出口超級計算機也有諸多限制,例如出售的機器性能不能高于中國自己所能研發的機器性能。

            張云泉告訴記者,我國已經掌握超級計算機的制造技術,包括“神威·太湖之光”“神威·藍光”的一系列設備,從芯片、操作系統到冷卻系統都完全由我國自主研發。

            雖然中國在硬件條件上取得領先地位,但軟件方面仍需要大量的投入。目前應用于超級計算機的商用軟件幾乎全部由美國、日本等國開發,中國的市場占有率基本為零。

            “應用于超算的生物信息學軟件開發起來舉步維艱。”趙齊感慨,“人才缺口很大。”他所在的專業,很多人都放棄使用“天河二號”,因為學習和溝通成本太高。他覺得,超算中心應該做更多對超算技術的科普和培訓。

            在計算機科學領域,超級計算機不是熱門方向。李北辰的同學中,每年只有10%左右的同學對這個方向有興趣,多數人還是投身人工智能的研究。

            在張云泉看來,解決軟件問題需要政策和財政兩方面的支持。“西方國家在超算領域多是制訂10~20年的計劃,背后有點軍備競賽的意思。但中國一直是制訂5年計劃,完成后再討論下一個5年要不要繼續。這樣規劃不夠長遠,技術團隊也難以保持穩定。”

            他介紹,我國對超級計算機領域研究的總投入與美國接近,但對軟件的投入偏低,目前僅占總投入的20%。他認為,這個比例應該到50%比較合適,美國、日本也是這個比例。

            “美國對超級計算機的研究已經超過了50年,而我國才剛剛30年,我們需要多一些耐心。”張云泉說,“過去我們是跟在別人后面跑,就只顧得上追了。現在我們超前了,該看清前進的方向,這比追趕花功夫得多。”

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          標簽(Tag):超級計算機
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