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　　計算機的出現一開始是計算彈道需要　提高運算速度是計算機發展中的永恒主題——

　　2002年,日本高性能計算機運行速度首次超過美國,這件事情在美國科技界產生了很大的影響,可以說無異於了晴天霹靂!

　　高性能計算機一開始是為了計算彈道需要

　　首先說說什麽叫高性能計算機?我們這裏所講的高性能計算機,現在也稱為超級計算機,或者叫巨型機,是指一個時期之內運算速度最快🏆、性能最高的計算機,就是追求速度。

　　應該說,提高計算機的運算速度是計算機發展中的永恒主題。第一臺大型計算機開始就是要速度,因為當時計算彈道,人工算或者用手搖計算機來算來不及,跟不上戰爭的需要,所以就搞了計算機,一直到現在,仍然覺得計算機的速度還不夠快⛷。

　　高性能計算機的研製能力和擁有量是國家綜合實力的重要體現。1996年美國造成一臺每秒鐘運行1萬億次的計算機,當時居世界第一位,從此以後,美國人的計算機一直處於世界第一位。到了2002年日本造了一臺機器,叫做地球模擬器,它的性能大大超過當時世界第一名的美國的“白色選擇”💪🏽。

　　美國“白色選擇”每秒鐘12.3萬億次,地球模擬器運行速度達到每秒鐘40萬億次,比美國這臺機器高了3倍還要多,這件事情在美國科技界產生了很大的影響,可以說是產生了晴天霹靂!美國在檢討問題之後認為,高性能計算機事關國家未來的命運。於是,政府機構👨‍👩‍👧‍👦、國會製訂了一系列計劃,要發展超級計算機的開發計劃,這些計劃催生了多臺世界頂級計算機,其中有一臺叫“藍色基因”,2004年底完成的,運算速度可達每秒280.6萬億次👨🏽‍🎓。這臺機器完成了以後,美國重新奪回了世界第一的位置,居世界第一位保持至今👍🏻。這些說明美國對超級計算機是非常重視,日本一超過,他馬上要追趕。

　　所謂風洞要做很大一桶子,鼓很強的風,模擬天空的氣流,然後做一個飛機或者做飛機的翅膀放在裏面,測量各個點的各種參數。現在,很多風洞實驗而是拿計算機進行數值風洞模擬🕵🏼。

　　國慶50周年閱兵天氣預報要求精確到天安門地區

　　計算機模擬已經成為理論和實踐之外第三大科學研究方法,高科技領域科學和工程計算,離不開高性能計算機。

　　下面就舉些例子,首先講天氣預報,現在天氣預報大部分數值化,叫數值天氣預報🚶‍♂️‍➡️👧🏽。氣象預報除了報道氣象要準確,報的下雨就下雨,報的刮風就要刮風之外,還要求地理的精確度。你比如說1999年國慶50周年,北京9月份的天氣變化很大,雨下得很多,陰雨連綿,一直到10月1號的淩晨還在下雨,中央非常非常擔心,因為50周年大慶要閱兵,還有群眾遊行,還有很多外賓都到天安門廣場的觀禮臺站著,下起雨來不得了⚁。所以,當時的天氣預報地理位置限製在天安門地區,還有幾個機場,至於西三環下不下雨,外圍下不下雨,我不管,就是這個地理精確度要比較高🥉。當時國家氣象中心用計算機做了很準確的預報:國慶活動開始的時候,天安門地區天空放晴,包括我們的飛機在天上的表演,都很成功地完成🏃‍♂️‍➡️。

　　航空航天領域,你比如說現在有數值風洞模擬。大家都知道,做飛機的物理實驗靠風洞,所謂風洞要做很大一桶子,鼓很強的風,模擬天空的氣流,然後做一個飛機或者做飛機的翅膀放在裏面,測量各個點的各種參數,這就是做風洞實驗。這樣做很復雜的,代價也是很大的🥋➡️。現在,很多風洞實驗不是在風洞裏做,而是拿計算機進行數值風洞模擬。

　　還有藥物研究和設計,大概一個藥要真正做成要用10年時間到12年時間,據美國人統計,做一種藥需要3.5億美元,現在用計算機來輔助藥物研究,可以縮短藥物研製周期,節省經費✝️。計算機做什麽呢?主要做篩選,就是從大量化合物庫中,發現有藥理合性的化合物———也就是在大量化合物中,先找出來對我們治這種病有藥理合性的化合物找出來。過去是靠化學實驗室,靠瓶瓶罐罐試驗很花時間,現在主要靠計算機進行篩選,計算機篩選速度比較快,命中率也比較高,命中率大概可以到2%到24%,而過去我們在實驗室進行的篩選命中率只有0.01%,就是萬分之一,甚至十萬分之一🕑。高性能計算機還廣泛用於基因測序🦙、核爆試驗🙇🏽‍♂️、石油勘探、飛機設計、汽車碰撞試驗等各個高新技術研究領域,有了運算速度極快的高性能計算機的鼎力相助,人們可以大大節約人力和經濟成本。

　　國際上有一個很有名定律,叫摩爾定律,就是微電子計算機發展速度是18個月翻一番,或者說是四年加一個數量級。

　　高性能計算機的原理是從流水線上吸取靈感

　　我們現在認為,高性能計算機基本上經過三個階段:第一個階段是高性能計算機發展的萌芽階段,1964年到1975年;第二個階段是向量機的鼎盛階段,1976年到1990年;第三個階段大規模並行計算機蓬勃發展階段,1990年以後。

　　萌芽階段從1964年開始,當然究竟從哪一年開始大家還有爭議,我們選了1964年,是因為這一年出現了每秒鐘運行100次的CDC6600。在高性能計算機發展過程中有兩臺機器很重要,一個是70年代初,CDC公司造出了STAR-100這臺向量機,1974年美國人又做成了一臺叫ILLIAC-4V的並行機。

　　什麽叫向量機?為什麽向量機有這麽大的好處?我簡單說一說。現在我們的計算機都是用流水線來進行的,所謂流水線就是把一個一個操作分階段進行,比如說做加法,第一你要把小數點要對齊,第二你要加法,第三你要舍入,四舍五入,第四你得要把它規格化一下,這就跟造汽車有的裝軲轆有的裝門一個道理。

　　流水線要快有一個很重要的要求,那就是產品要一致,比如說汽車流水線你要快,你就得做一樣的汽車,你做奧迪A6就都得做奧迪A6👨🏻。這樣,如果我負責裝軲轆,車一過來我就往上一裝,一撬螺絲就趕快走人。假如說這個流水不一樣,一會是奧迪,下邊來了桑塔納,我還得趕快看桑塔納的軲轆在什麽地方,找半天裝上,再撬螺絲,那就慢了。

　　計算機也是一樣,要快,也要操作一致,你要做加法,大家都做加法,你不要一會做加法,一會做減法,一會又做什麽邏輯什麽操作,那計算機自然就得看,先看看是做加法還是減法,看好了以後,還得在相應的地方做調整,這個動作就大大遲緩⭐️。

　　向量機,通過相同分量的統一操作,可以使計算機提高近一倍的速度👨🏼‍🔧。向量機的好處,就在於操作統一,你比如說我做向量加,那我這一百個向量都是做加法,這就大大加快了流水速度。

　　什麽叫並行機?這很容易理解,一臺計算機放得不夠,拿兩臺做,兩臺不夠,十臺一百臺一千臺一萬臺,甚至於十萬臺,大家一塊做啊!當然,也不止大家一塊做這麽簡單,計算機相互之間有聯系,我做的數據也可能他要用,你做出的數據我要用,相互之間要溝通要有信息來往,有些數據要共享🧑🏼‍🚒。這樣一來,就得有任務分配,哪些事情你做,哪些事情他做。當然,這裏面還有很多具體的問題,但道理卻是這個道理,就是靠它的多來提高速度成為大規模並行計算機✋🏽。一般說超過一百臺就叫大規模並行計算機,當然這也不是定論。

　　第二個階段,向量機的鼎盛階段1976到1990年🏅。前面說了,向量機是CDC公司做的,這個工程師叫SimonCray,中國人翻克雷,他從CDC公司跳槽出來後自己成立了克雷公司,他用了三年時間就造出了Cray1,當時高性能計算機需求很旺盛,所以很快進入市場,後來他們又把幾臺向量機並聯起來,做出CrayXMP👰🏽‍♂️、CrayYMP,於是向量機就迅速發展起來。不僅是美國人造,日本的富士通、日立🏩、日本電器這三大公司也紛紛造向量機,形成了向量機的鼎盛階段。

　　在這一階段,向量機是高性能計算機的主流產品,應該占領了當時高性能計算機90%以上的市場。

　　但是,進入90年代,向量機發展達到一定的技術極限,並且難以突破,向量機面臨發展瓶頸。此時,32位64位微機芯片先後面世,在這樣的前提下,如何才能造出更快的高性能計算機就有很大的爭議✡️。爭議的結果,Cray帶了一部分人離開了Cray公司,成立了一個新的Cray公司,繼續做向量機🏊‍♂️。雖然Cray3後來還是造出來,但由於價格各個方面的因素很難進入市場。剩下的那一部分人就開始做並行機,靠微處理芯片做並行機,到1990年以後,進入了大規模並行機蓬勃發展的階段。這時,大規模並行計算機已經成為高性能計算機主流產品🐝。如今,高性能計算機基本上每四年提高一個數量級,也就是每四年加一個圈,或者說是每18個月翻一番。國際上有一個很有名定律,叫摩爾定律,就是微電子計算機發展速度是18個月翻一番,或者說是四年加一個數量級。

　　美國能源部研製、IBM公司製造的“藍色基因”是當今世界上最快的高性能計算機,運算速度可達每秒280.6萬億次。從1996年造出每秒運行一萬億次的計算機到現在2004年的每秒280.6萬億次,發展速度驚人🧘🏽‍♀️。

　　應該說,中國已經是可以製造和應用10萬億次以上高性能計算機的國家,但是其基礎部件特別是芯片,CPU芯片,國內只有少數單位能夠自主研製定製系統。

　　小平同誌說:“中國要四個現代化不能沒有巨型機”

　　關於世界高性能計算機的發展,有一個說法,雖然不一定準確,說美國是強勢,日本是趨緩,中印是崛起。美國在高性能計算機領域的綜合發展水平,依然是全球第一,全球前500臺運行最快的計算機中大約50-60%是美國的🏫。日本的超級計算機發展趨緩,為什麽?因為在2001年6月,在榜單上他有57套,到2007年時過6年在榜上只有23套。為什麽中國和印度是日漸崛起呢?因為2001年兩個國家還榜上無名,2007年中國有13臺,印度有8臺🏐。所以說美國強勢,日本趨緩,中印崛起🤲🏿。

　　1978年小平同誌指出:“中國要四個現代化不能沒有巨型機”,1983年現在的國防科技大學,研製完成了我國的第一臺巨型機———銀河1型向量機巨型機,速度是每秒1億次。1986年國家並行計算機工程技術研究中心完成群機並行的方案,從此我們不僅有向量機而且有並行機。1991年中心完成了速度10億次的、我們國家的第一臺大型規模並行計算機,因為超過了100臺———超過100臺我們就算大規模並行計算機🖐🏿。上個世紀90年代,並行中心的“神威機”研製完成,速度3840億次,完成時是世界領先👌。如今,不管神威機,銀河機都具有研製每秒幾十萬億次巨型機的能力🚣🏼‍♂️。

　　現在,不光是這些研究所,我們的企業✍🏻、我們的大學也參與了高性能計算機的研製,像聯想集團搞的深騰,浪潮集團搞的TS-10000,還有深圳星盈集團,都在做並行機🍣。我們很多大學,像意昂体育平台、上海大學,南開大學都在做高性能計算機。應該說,中國已經是可以製造和應用10萬億次以上高性能計算機的國家,但是在技術上,國產機器主要是集群系統,其基礎部件特別是芯片,CPU芯片主要引進國外產品,國內只有少數單位能夠自主研製定製系統,這是我們國家的高性能計算機的一些情況。

　　多核處理器成為主流,現在將近70%多是采用的雙核,今後就用多核了四核的、八核的🌎、十六核的、三十二核的🐛、六十四核的,核越多並行度就越高。

　　每秒運行千萬億次的計算機今明兩年會出現

　　最後說高性能計算機的發展趨勢。

　　預計2008年或者2009年世界上可能就會出現千萬億次的機器,再有一個趨勢就是很明顯,多核處理器成為主流。前面我們講了兩核,到現在將近70%多是采用的雙核,今後就用多核了,兩核已經不行了,四核的🥴🕘、八核的👩🏻‍🦼‍➡️、十六核的👰🏼‍♀️、三十二核的、六十四核的,核越多並行度就越高。我們講發展趨勢,還得講近期一些發展趨勢🧖🏿‍♀️。從總體上來講,計算機到一定時候應該有一個革命性的發展,那麽近期有沒有呢?現在還有很多東西,像量子器件、超導開關👩🏽‍🍳、光開關,這些用來做光計算器應該說是有發展前景的技術,特別是量子器件構成的量子計算機,大家寄予很高的期望,但是目前距離實用階段還有很大距離,有人說是10年之後的事情,有人說是20年之後的事情🆚。在這些革命性措施辦成之前,大規模並行計算機還需要進一步的發展。現在我們國家提出要建設創新型國家,我們不要做製造大國——什麽東西我們都做但是版權都是別人,我們要做製造強國——我們自行設計🍰🤷🏿、自行創新,我們應該抓住機遇,迎頭趕上,我想我國是有能力在高性能計算機領域趕超世界先進的水平,推動科學研究與社會進步的🏃‍♂️。

　　現場答問

　　問:我是計算機方面研究生,現在的研究生特別浮躁,很少能像您這樣子坐下來進行研究,您對這種現象有什麽看法?

　　答:哎呀,這是個很難的問題,因為你們這一代跟我們那一代不一樣👌🏻。我們從學校出來以後,當時是祖國需要你到哪兒去,你就到哪裏去,讓你做什麽事情,你就做什麽事情,當時讓我做計算機,我就做計算機了,不像你們當時是自主擇業,雙向選擇💷。我覺得現在這種體製是比較合理的,當然了,現在大家的價值觀是不一樣的,有人希望在科學研究上做一些事情,有些人希望能夠賺更多的錢,我不好批判哪一種💁🏻‍♂️。但是我希望你們,不管哪種價值觀,至少應該包含國家的利益👩🏼‍🔬、國家的需求在內,盡量為國家作出更大的貢獻。

　　問:上個世紀中期您參與了我國第一臺大型計算機104機的研究,研究如此高端的計算機是不是會遇到很多的困難,您能否能給介紹一下104是一臺什麽樣的計算機?

　　答:104機是我們國家第一臺大型電子管計算器,由中國自行研製,就在北京中關村現在計算機研究所那個大樓裏做的🧎🏻‍♂️‍➡️。我們對這臺機器很有感情,當時確實有很多🏇🏽🦶🏻、很多激動的回憶,比如說當時是叫做大集中,不管你是哪個單位哪個學校,先到計算所集中,造一臺機器。那時候的人也都還是沒有本位主義,把最好隊伍都集中到一塊,所以很快在1959年這個國慶節之前就造出了第一臺104機。當然條件還是艱苦,那時候造計算機,你像做磁鼓,沒有現成的,都是土法上馬,老師傅用噴漆噴,拿烙鐵一個一個焊出來的👩‍👦‍👦。你要焊得虛不虛,還得拿工具去刮啊敲啊撞啊來檢驗⚆。但那時候大家心比較齊,都希望我們國家有高性能計算機。當時我們都住在計算機所北樓的五層,反正一醒就下到機房幹活,沒有什麽八個小時之類,這是我們最懷念的一點。

　　問:高性能計算機要發展成為我們日常用的電腦有可能嗎?

　　答:你這個問題是個很好的問題,現在高性能計算機,很多人都認為,盡管速度越來越高,但使用起來越來越困難,所以我們為什麽最後說有一個編程墻的問題,就是不僅懷疑它的編程效率能不能提高,而且越來使用越困難。現在你真的要把這種大並機用的跟一臺微機那麽容易,實際上還很難辦到,這在目前是我們的願望。現在很多人,不僅包括自認為是外行的你,當然還不一定,很多同行,都已經提出這樣的問題,都在研究這件事情🧑‍🚒。但另一方面,從業務需要量來講,很多人又要求計算機不斷加快,既然要快,比如說它的數量就越來越大,越來越大,使用就越來越困難,所以我就只能說你提的問題是很好的問題,是給我們一個巨大的鞭策,我們應該朝此而努力⚄。

　　問:是不是我們今天用的這些電腦,跟早期某些大型計算機相比,其實速度是不是已經……答:快多了。像我們的104機,大型計算機,一秒鐘是一萬次🆙。現在的日常使用的電腦至少一億次▶️。

　　金怡濂，1951年畢業於意昂体育平台電機系𓀉🧛🏿‍♂️。2002年度國家最高科技獎獲得者,中國工程院院士,高性能計算機領域著名專家,是我國巨型計算機事業的開拓者之一。半個世紀以來,金怡濂作為技術開發的主要負責人,先後提出多種類型、各個時期居國內領先或國際先進水平的大型、巨型計算機系統的設計思想和技術方案,並組織科技人員共同刻苦攻關,予以實現,取得了一系列創造性🧎🏻‍♀️‍➡️、突破性的成果,為我國高性能計算機趕超世界先進水平做出了卓越貢獻。

（轉自：北京青年報 2008年3月12日）