天河一号超级计算机系统
天河二号超级计算机系统
科研人员仔细检查天河一号系统节点
科研人员正在调试天河二号超级计算机系统
本网通讯员 龚盛辉 于冬阳
当今时代，鲜有哪一个学科像高性能计算这样在科学研究中运用如此广泛、如此深入、如此前沿，对人类生活渗透如此普遍、改变如此之大。正如国家超算天津中心主任刘光明所说：“超级计算机算天、算地、算人，算过去、算现在、算未来……运用超算给大地做CT，可以又快又准地找到石油;运用超算分析人类基因，能够解读生命的奥秘;运用超算做风洞，设计的飞机可以飞得更快、更高、更省油……”
目前，有赖于超级计算机解决的挑战性问题，涵盖交通工具制造、气象预报、生物信息、地震监测、地球科学、天体物理、公共健康、材料科学、人类/组织系统研究等人类科学和生活的每一个领域。高性能计算，现已走进各行各业、千家万户，人们的衣、食、住、行、乐，无时无刻不在分享着超级计算机算出的“红利”。
一
“天河一号”诞生后，社会上出现一种论调：“研制超级计算机，在中国都是政府投资，仅仅是政治需要，而并非实际应用，并不像美国、日本，纯粹是市场行为。”
这完全是混淆是非、颠倒黑白。
诚然，包括“银河”“天河”在内的国产超级计算机研制，均由政府主导。但“红彬”“泰坦”“京”等世界顶尖超级计算机研发，也是由美国、日本政府直接投资，IBM、Cray、富士通等公司联合国家科研单位研制的，与中研发模式毫无二致。研发超级计算机，都是为了解决涉及国家安全与发展问题的重大科学问题和增强综合国力，都不是纯粹的市场行为和商业利益趋动，任何国家无不如此。
再说，从“银河”到“天河”，都非常重视应用。研制“天河一号”时，超级计算机应用创新团队，在宋君强带领下，积极深入用户第一线，逐家拜访重点用户和潜在用户，了解他们对科学工程计算、大数据处理以及高吞吐率和高安全信息服务等多种应用需求，在此基础上提炼出对每秒千万亿次超级计算机设计的技术要求，不断优化机器使用环境，同时向用户宣传每秒千万亿次系统特点，引导用户学习和采用新技术，促进了机器设计与应用的互补互促，为我国新一代超级计算机成为用户“好用”“想用”的机型打下了良好基础。“天河一号”投入使用后，构建形成了石油勘探、生物医药、动漫与影视特效渲染、高端装备制造、地理信息等五大高性能计算应用平台。
“天河二号” 研制战役打响后，宋君强又带领团队针对多态应用多元需求问题，认真梳理规划科研方向，在科学工程计算、超大资源规模的云服务平台、大数据处理等方面进行一系列创新完善，使天河二号更加“好用”“实用”。此外，科研人员通过多层次容错设计，实现了超大系统的智能化管理，实现了自动监控、检测、诊断、隔离系统运行时出现的故障，全系统连续稳定时间比“天河一号”提高1.5倍，可靠性、可用性迈上一个新台阶。
2014年11月，国际TOP500机构首先发布第44届世界超级计算机500强排行榜，“天河二号”当仁不让地荣获“四连冠”。次日，国际TOP500组织首次正式发布主要考查超级计算机应用性能的HPCG排行榜，“天河二号”又是位居世界第一，成为运算速度、应用性能双科“状元”。
二
目前，我国已建成国家超级计算天津中心、国家超级计算济南中心、国家超级计算长沙中心、国家超级计算深圳中心、国家超级计算广州中心等五个国家级超级计算中心。此外，还有成都、合肥、上海等区域超算中心。
由国防科技大学与天津滨海新区共同建设的国家超算天津中心，是我国建设最早、规模最大的国家级超算中心。这里不仅装配了拥有140组机柜、曾于2010年11月荣获国际TOP500排名第一的“天河一号”二期系统，而且还配置了计算速度达到每秒百万亿次的“天河·天腾”、含有128年Intel-EX5675CPU的“天河·天翔”、包含96年CPU的“天河·天驰”等三套超算系统。
高端、系统、完备的配置，成就了天津中心计算能力的“中国之最”。它就像一柄锋利的犁铧，为中国在高科技领域开辟出一方方肥沃的“处女地”。
生活在现代的人们，离不开石油几乎像离不开水一样。可石油在哪呢?一想到这个问题，人们的头脑中就会出现几个身穿红色工作服、头戴红色安全帽、背着沉重设备的地质勘探人员拿着小铁锤在江河湖畔的岩石间敲敲打打的场面。快速发展的计算机技术早已把这种原始的“找油”方法送进了历史博物馆。现在人们运用超级计算机对人造地震波的反射数据进行科学计算，建立大范围三维地质模型，就可以还原某地区的地质构造，进而确定石油、天然气的具体方位及储量，计算机运行速度越快，勘探速度越快、越精确。
天津中心与国内相关研究机构强强联合，成立了“天河石油物探计算中心”，构建了完善的重点面向中国石油、中国石化、中国海洋石油的地震物探数据处理与物探信息管理平台，大力开展石油物探数据处理开发与应用，成功设计出拥有完全自主知识产权的石油三维立体偏移软件，扭转了在该领域受制于人的局面，推动了产业技术进步与协同创新。
基于“天河一号”的这些技术优势，中石油东方地球物理公司先后完成了多块上千平方公里的大连片、高频次覆盖的大数据项目。
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三
人类对自己生生息息的这个星球，几千年前、几万年前、几亿年前是什么样子呢?它又是怎样变成今天这个样子的呢?要解开这一个个地球的谜团，像哥白尼、布鲁诺等先辈们那样，仅凭一颗脑袋、一双肉眼，外加一副天文望远镜，显然远远不够，而必须依靠超级计算机进行数值模拟，全面系统地研究各种物理、化学、生物变化过程。“天河一号”在该领域研究中已显露出不凡身手。
现在“天河一号”已成为中科院大气物理所、国家海洋局、国家气象局等机构的研发模拟平台。它通过模拟全球气候变化和海洋环境变化，对人类未来生存环境有了一定认识，为确保人类社会可持续发展提供了科学数据。
“天河一号”开展的“高分辨率海洋环流模式LICOM研究”，是我国首次利用自行发展的涡分辨率海洋模式完成长期数值模拟试验，并得到了准确有效的试验数据。
中科院软件所运用“天河一号”完成的“地球外核热流动数值模拟”，在世界上首次实现了对600亿未知数的超大规模数值模拟。
中科院的科学家们称赞“天河一号”：“与IBM蓝色基因等世界强国引以为豪的超算系统相比毫不逊色，计算结果与世界同步研究水平相当，甚至更高!”
支持自主知识产权药物研发，是天津超算中心的重要使命之一。
对于超算对人类健康所作的贡献，“天河一号”重要用户之一、天津国际生物医药联合研究院的科学家有个现身说法：“过去我们研发一种新药，要投资10亿美元，进行10万次化合物筛选，经历10年时间。现在我们用‘天河一号’筛选一个星期，就可以完成过去一年的筛选量，大大缩短了研发周期、降低了研发成本，还能为新药研发提供崭新思路，高性能计算在药物研发领域的应用，是药物行业的一次革命。”
中科院上海药物研究所的科学家也身同感受：“我们在‘天河一号’上通过计算模拟与药物实验相结合，确证了一个全新的药物作用位点。在天津中心直接进行药物设计，未经任何化学作用就获得了一种对某种疾病疗效显著的药物。我们还在这里成功开展了‘重大心血管疾病相关GPCR新药物靶点基础研究’。”
“天河一号”在药物开发中的成功应用，足以让艾滋、癫痫、糖尿等病人重新树立起战胜顽疾的信心。
四
航空航天，是大国角逐的焦点领域。“天河一号”是我国大型航天、航空飞行器设计空气动力学模拟及新型发动机研制的重大平台。目前拥有航天某研究院、北大工学院、国家计算流体力学实验室、商业飞机北京研究中心、试飞院、力学所等众多重大用户，已成功完成“某大型飞机整机气动模拟”“基于某机型的大型飞机虚拟试飞环境”等重要课题研究。
大气雾霾，在近年已严重到几乎让人谈霾色变。为弄清雾霾形成区域、形成过程，及与之关联的物理、化学、生物因素，建立相关模型，作出准确预测，中国气象科学研究院、国家气象中心、清华大学、国家超算天津中心等机构携手合作，使用了“天河一号”10%-20%的计算资源，建立和完善数字模拟模型。目前该项研究已获得关键性进展，可望在三五年后对雾霾气候作出精确预报，并为国家制定区域发展规划提供相关评估数据。
“智慧城市”，不仅已成为常挂在人们嘴边的时髦词汇，而且已是人们渐行渐近的愿景。所谓“智慧城市”，就是实现物联网基础设施、云计算基础设施、地理空间基础设施“合三为一”，对城市运行进行综合感知，对城市需求作出智能响应，对城市活动进行智能管理。其中的公共交通、公共健康、公共信息、公共能源等数以百计的要素管理，都需要超算技术的支撑。
天津超算中心在“智慧城市”建设中积极作为，参与了分别在天津、郑州开展的国家“智慧城市”试点建设，形成了宝贵的技术积累。以后，他们还将开展大数据、大数据与高性能计算融合、大数据与云计算融合等关键技术攻关，为华北地区油气勘探、生物信息、环境、交通、新能源等领域的新兴产业，以及政府决策、社会保障、科学管理等构建超算平台，为“智慧滨海”大数据处理提供技术支撑。
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五
在20世纪80、90年代，港剧、台剧曾一度成为内地观众趋之若鹜的文化品牌。随着时光之驹跨入21世纪，内地影视工作者骄傲地宣布“内地剧目的收视率已远超港台”。现在，人们又对以“阿凡达”为代表的美剧动漫特效所倾倒。为打造国产动漫品牌，天津中心创建了电影修复、影视后期特效、3D动漫渲染、虫蛀特效渲染等超算应用平台，并已在影视剧制作中初试牛刀。
坚信不远的将来，中国影视制作者也会骄傲地宣称“美剧不再是偶像”。
大工程设计领域，“天河一号”也有诸多可圈可点的建树：
“天河一号”突破了大型复杂制件全工序模拟周期长、精度低等瓶颈问题，大幅缩短产品开发周期、提高产品质量、节省研发经费，增强了企业国际竞争力;
天津汽车模具有限公司，运用“天河一号”进行600万单位仿真，技术水平达到国际先进，被通用、奔驰等国际超一流企业列为专业合作伙伴;
天津大学化工学院在“天河一号”上首次实现了热回收焦炉的三维全过程仿真;
天津一汽运用“天河一号”开展安全设计与分析仿真，将整车碰撞模拟由原来的三天缩短为两个小时;
……
此外，配置于国家超级计算长沙中心的“天河一号”系统，自2011年在湖南大学投入运行后，极大提高了华中地区高性能计算能力，显著增强了气象预测、灾害防治、环境保护等公共能力，以及高等院校、科研院所的服务能力，尤其是为装备制造、钢铁冶金、汽车工业、生物医药、动漫设计等产业提供了高性能计算平台。
“天河一号”的应用成果，就像天河里的星星，实在难以一一细数。还是用几组数据来说话吧。
国家超算天津中心自投入运营以来，“天河一号”已先后为500多家重点用户提供质量高性能计算服务，其中包括中石油、中石化、中海油、华大基因、天津药物院、中船重工、中国一重、天汽模、中科院、国家地理信息中心、国家海洋局预报中心、中国气象局、军事医学院、国家天文台、天津大学、北京大学、中国科技大学等高端用户。
在“天河一号”上，每天有1000多个应用程序在同时运行，对应的创新项目多达数百个。
“天河一号”支持国家“863”“973”计划项目50余项，国家自然科学基金项目近400项，其他重大项目20余项。
“天河一号”开始运行后，平均使用率达到80%以上，在业内属于“超负荷”，国内凡对超算有需求的用户基本上都使用过“天河一号”。
六
“天河二号”诞生并勇夺世界桂冠之时，正值以习近平为总书记的党中央发出“中国梦”伟大号召之际，亦是我国经济发展模式由“中国制造”向“中国创造”飞跃的关键时期，民族崛起的愿望、科学创新的需求，给“天河二号”应用增添了两大强力磁场，百万人量级全基因组分析、高通量虚假药物筛选、大型装备结构设计、超大规模暗物质宇宙学模拟等众多重要用户，浪潮般涌向国家超算广州中心。
广州中心尽管一边调试系统一边投入运营，可用户在半年内依然达到80多家，开展了100多项“863”“973”计划项目应用计算。仅2014年4月，超过百万核的大规模实际领域应用就有6个。目前，“天河二号”用户已达到近200家。
这些应用研究，在大飞机设计、高分辨率对地观测、基因测序、生物医药、智慧城市、电子商务、云计算、信息服务等多个领域获得成功，取得显著的经济、社会效益，创造了多个“世界第一”：
在“天河二号”上进行的C919飞机高数度外流场气动计算，在国际上首次实现了全机复杂构型高精度大规模数值模拟，为型号研制提供了至关重要的科学数据;
运用“天河二号”进行的超高分辨率全球中期数值天气预报，实现了国际最高分辨率，使我国在该领域研究领先于世界。
中科院上海药物研究所在“天河二号”上进行了75万个小分子化合物亲和力评估，完成了600多个各个药物的体内外活性测试评估，为治疗恶性肿瘤、乙型肝炎、糖尿病等顽疾提供了新途径。
……
华大基因，是中国生物界大数据的主要产出者，也是“天河”超级计算机的典型用户。“天河一号”二期系统落户天津后，华大基因使用了她近一半的计算量。“天河二号”诞生后，华大基因又是她的重大用户。
华大基因为何对“天河”情有独钟?华大基因董事长说：“为我国超级计算机发展的艰难而感慨，我们中国基因组大科学发展也经历了同样的曲折。今天具有全球最强生命大数据产生能力的华大基因与世界最强计算能力的‘天河’系列紧密结合，进行生物超大数据计算，正在为生物育种和医学健康带来根本性的变革。基因科技造福人类、引领新兴生物经济的时代，近在咫尺。”
随着“天河二号”正式运行，集高性能计算、海量数据处理、信息管理服务于一体的国家超算广州中心，将广泛应用于高新技术产业、现代服务业、数字城市建设及科研创新等领域，成为华南地区乃至全国产业转型的强大引擎。
国家超算广州中心计划于2015年内将计算能力提升到10亿亿次以上，成为世界最顶尖的超级计算中心。
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七
“天河”超级计算机还成功地跨出国门，完成国际或地区项目10余项，成为中国在这一领域国际合作的使者。
2011年后，天津中心与美国、亚太地区、欧盟地区超算中心和高性能计算机构广泛开展交流合作。美国橡树岭、劳伦斯-利沃莫尔、劳伦斯-伯克利、阿贡、西北太平国家实验室、德国尤利希超算中心等研究机构，派出代表团访问天津中心，并开展了多项合作研究。2012年，科技部指定天津中心为“超级计算技术创新研发国际科技合作示范基地”。
国家超算广州中心装配“天河二号”后，与英国国家超算中心签署了战略合作备忘录”，敞开了为国外研究机构服务的大门。德国慕尼黑工业大学运用“天河二号”模拟美国加州兰德斯1992年大地震，美国佐治亚理工学院在这里开展抗艾滋病毒药物作用机理研究。慕尼黑工业大学取得的研究成果，入围国际高性能计算应用最高奖“戈登奖”。
中国超算，强国梦之超级英雄!
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