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超算世界的奥运史：中国超级计算机发展回顾

【文章摘要】世界各大国里面只有美国、中国是自己制造的百万亿次超级计算机，由于美国严格的高技术禁运政策，如果不是我们自己能研制出来，那么我国现在最快的超级计算机，也就是从IBM买来的25万亿次每秒的淘汰产品。
　1992年，英特尔推出Paragon超级计算机，它成为历史上第一台突破万亿次浮点计算屏障的超级计算机。紧接着,IBM的SP2、日立公司的SR2201和SGI公司的Origin2000超级计算机都先后出现。值得一提的是Origin2000系列后来成为SGI公司制作电影CG的主力，很多大场面的电影都有它的功劳。

　　1996年12月，SGI公司研制出一台具有256个处理器的超级计算机安装在美国国家实验室。这个系统的处理器还将增加为4096个，运算速度达到了30000亿次。

　　进入2000年之后，超级计算机的竞争日渐激烈，日本和美国彼此成为最大的竞争对手。比如在2003年世界前十名的超级计算机名单中，日本的“地球模拟器”排在榜首，后面全是清一色的美国产超级计算机。而保持运算速度最快记录的超级计算机则是日本NEC刚刚发布的SX-8,每秒运算速度高达65万亿次。

　　在厂商之间，IBM、英特尔、DELL、NEC和SGI的竞争一向激烈，近来又冒出了苹果。这家公司的G5苹果超级计算机已经后来居上，超过英特尔居于超级计算机排行榜的第三位。在中国，曙光和联想同样开发了国产超级计算机，在全球500强超级计算机中能够看到中国人的身影。

　　我国从1957年开始研制通用数字电子计算机，1958年8月1日该机可以表演短程序运行，标志着我国第一台电子计算机诞生。为纪念这个日子，该机定名为八一型数字电子计算机。该机在738厂开始小量生产，改名为103型计算机(即DJS-1型)，共生产38台。

　　世界上第一台数字电子计算机诞生于1946年，中国电子计算机的科研、生产和应用是从上世纪五十年代中后期开始的。1956年，周总理亲自主持制定的《十二年科学技术发展规划》中，就把计算机列为发展科学技术的重点之一，并筹建了中国第一个计算技术研究所——中国科学院计算技术研究所。1957年,哈尔滨工业大学研制成功中国第一台模拟式电子计算机。1958年8月1日，我国第一台数字电子计算机——103机诞生。

　　以逻辑电路器件作为标志，到目前为止的电子计算机可以分为四代。此外还有“第五代”即人工智能计算机和“第六代”即生物计算机的说法。每一代计算机，都比前一代更小、更快，技术工艺要求更高，价钱也更便宜。中国科学家研制从第一代到第四代计算机的工作，几乎贯穿于整个毛泽东时代。

　　第一代计算机采用电子管。美国研制出第一代计算机用了4年（1943-1946，标志：宾夕法尼亚大学莫尔学院的ENIAC），而中国通过学习苏联的技术，仅用3年就完成了（1956-1958，中科院计算所的103机），并生产了38台。

　　第二代计算机采用晶体管。美国从第一代计算机进入第二代计算机花了9年时间（1946-1954，标志：贝尔实验室的TRADIC），中国用了7年（1958-1964，标志：哈尔滨军事工程学院，即国防科技大学前身的441B机），生产了约200台。

　　第三代计算机采用中、小规模集成电路。这段发展过程美国用了11年（1954-1964，标志：IBM公司的IBM360），中国用了7年时间（1964-1970，标志：中科院计算所的小规模集成电路通用数字电子计算机“111机”）。

　　1965年，中国自主研制的第一块集成电路在上海诞生，仅比美国晚了5年。在此后的岁月里，尽管国外对我国进行技术封锁，但这一领域的广大科研工作者和工人阶级，发扬自力更生和艰苦奋斗的精神，依靠自己的力量建起了中国早期的半导体工业，掌握了从拉单晶、设备制造，再到集成电路制造全过程，积累了大量的人才和丰富的知识，相继研制并生产了DTL、TTL、 ECL等各种类型的中小规模双极型数字逻辑电路，支持了国内计算机行业。当时具备这种能力的国家除中国外，只有美国、日本和苏联。

　　我国的超级计算机研制起步于60年代。到目前为止，大体经历了三个阶段：第一阶段，自60年代末到70年代末，主要从事大型机的并行处理技术研究；第二阶段，自70年代末至80年代末，主要从事向量机及并行处理系统的研制；第三阶段，自80年代末至今，主要从事MPP系统及工作站集群系统的研制。经过几十年不懈地努力, 我国的高端计算机系统研制已取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”、“深腾”等一批国产高端计算机系统的出现，使我国成为继美国、日本之后，第三个具备研制高端计算机系统能力的国家。

　　1983年研制成功银河亿次巨型计算机，使我国成为能研制巨型机的少数几个国家之一，该成果荣获特等国防科技成果奖。

"银河"系列超级计算机

　　在国防科技大学计算机学院宽敞明亮的机房里，矗立着一个红黄两色相间的大机柜。这就是我国自行设计和研制的第一台每秒运算速度达亿次的超级计算机——“银河—I”。它的诞生，使我国成为继美国、日本之后第三个能独立设计和研制超级计算机的国家。

　　研制“银河”超级计算机的难度不是一般人能想象的：当时文革刚结束，国家百废待兴，我国气象部门急需巨型机做中长期天气预报，航空航天部门急需超级计算机以减少昂贵的风洞实验经费，石油勘探部门急需超级计算机进行三维地震数据处理。有一个部门租用了外国一台中型计算机，却要由外方控制使用，算什么题目都要交给人家，中国人不得进入主控室。为了研制新一代导弹核武器，必须进行大量的数值计算和模拟来计算核武器的杀伤效能等等数据，显然不能再靠手摇计算机+人海战那么干了。

　　1975年10月和1977年秋，时任国防科工委主任的张爱萍上将先后两次指示国防科技大学计算机研究所对巨型机研制进行调研。在此基础上，国防科工委于1977年11月14日向党中央和中央军委呈交了“关于研制巨型机”的请示报告，党中央和中央军委11月26日就批准了国防科工委的报告。1978年3月，中央军委主席邓小平同志专门听取了关于计算机发展情况的汇报，明确由国防科工委系统承担亿次机研制任务，张爱萍将军为该机命名“银河”。

　　国防科大的前身是1953年创建于哈尔滨的中国人民解放军军事工程学院，1958年“哈军工”研制出我国第一台电子管计算机。由于历史原因，1966年“哈军工”退出军队序列，1970年学院主体南迁长沙，更名长沙工学院，直至1978年才变更为国防科技大学。面对小平同志的信任与重托，时任国防科大计算机研究所所长的慈云桂教授立下军令状。

　　1983年12月4日，是我国计算机技术发展史上永远值得纪念的日子。这一天，我国自行研究与设计的第一台亿次巨型计算机提前一年研制成功，通过鉴定；它的诞生标志着我国计算机技术水平踏上了一个新台阶。

1992年研制成功的银河-Ⅱ十亿次巨型计算机，被列为1992年全国十大科技成果之首。

　　1986年年初，国防科技大学计算机系申请研制“银河Ⅱ”10亿次巨型计算机，得到了国务院、中央军委和当时的国防科工委的批复，1992年11月国防科大成功研制出“银河Ⅱ”10亿次巨型机，实现了从向量巨型机到处理并行巨型机的跨越，成为继美国、日本之后，第三个实现10亿次超级计算机的国家。1994年，银河Ⅱ超级计算机在国家气象局投入正式运行，用于天气中期预报。

　　银河—Ⅲ百亿次巨型计算机

　　1994年3月，在市场激烈的竞争中，“银河Ⅲ”正式立项。又用3年多时间，于1997年6月，研制成功系统综合技术达到当时国际先进水平的“银河Ⅲ”百亿次巨型机，实现了从多处理并行巨型机到大规模并行处理巨型机的跨越。

　　2000年由1024个CPU组成的银河Ⅳ超级计算机问世，峰值性能达到每秒1.0647万亿次浮点运算，其各项指标均达到当时国际先进水平，它使我国高端计算机系统的研制水平再上一个新台阶。

　　“银河”系列超级计算机如今广泛应用于天气预报、空气动力实验、工程物理、石油勘探、地震数据处理等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。国家气象中心将“银河”超级计算机用于中期数值天气预报系统，使我国成为世界上少数几个能发布５至７天中期数值天气预报的国家之一。

"神威"系列超级计算机

2006年9月诞生的“神威Ⅰ”的峰值运算速度为每秒3840亿浮点结果，在世界已投入商业运行的前500台高性能计算机中排名第48位，其主要技术指标和性能达到国际先进水平。

　　1996年为加强我国高端并行计算机系统的研制，国家并行计算机工程技术中心正式挂牌成立，开始了神威系列大规模并行计算机系统的研制。1999年神威系列机的第一代产品——神威Ⅰ型巨型机落户北京国家气象局，系统峰值为3840亿次浮点运算，该机在实际应用中取得了很好的效果。于此同时，为顺应国际潮流他们还同步开展了神威“新世纪”集群系统的研制。现已成功推出A、P两个系列的“新世纪”集群系统，其中A系列采用Alpha21264处理器，P系列采用Intel Xeon处理器，两款的最大规模均可扩至千余节点。目前该系统已广泛地应用于石油、物探、生物、气象和材料分析等各个领域。

　　上世纪80年代末90年代初，世界计算机领域悄悄地孕育着一场革命，传统的向量机发展受到了限制，大规模并行机悄然问世。金怡濂教授敏锐地洞察到这一新的发展趋势是实现中国计算机跨越发展的一次重要机遇。与此同时，机遇也落到了他的身上，他担任了国家重点工程———“神威”巨型计算机系统的总设计师。

　　金怡濂教授当即提出了一个我国超大规模巨型计算机研制的全新的跨越式的方案。这一方案不仅当时在国内尚无先例，而且把巨型机的峰值运算速度从每秒10亿次跨越到每秒3000亿次以上，跨越了两个数量级。在国家并行计算机工程技术研究中心召开的“神威”机研制方案论证会上，许多人对此方案表示惊讶、怀疑，甚至反对，提出继续搞比较保险的传统机型。金怡濂力排众议：“不挑战就会失去竞争的机会，不突破就没有中国巨型机的崛起。”经过他的精辟分析，与会专家最终通过了他提出的总体方案。实践证明，这是一个具有战略意义的跨越，闯出了一条中国巨型机赶超世界先进水平的发展道路。

　　气象预报是超级计算机最重要的应用领域之一。在神威Ⅰ型机上运行的“集合天气预报系统”采用了32套原始数据，输入计算机进行运算，然后得出32个结果，再运用气象学的知识和统计的规律，在这个结果群里，找出可能性最大的未来天气的情况。以往10天的天气数值预报，在百亿次机上运算大约需要640小时，等预报结果出来时，就已经不是“预报”了。利用“神威”机进行运算，则只需要8小时。

　　“神威”机的另一项重要的应用就是石油勘探。要开采石油，必须钻井。打一口井耗资巨大，差不多要几百万甚至上千万，如果选择的钻井地点有偏差，那么投入的人力、财力、物力就会全部浪费，损失巨大。因此提前的精确测算格外重要。

　　在认为可能的地方进行人工爆破，然后搜集爆破后的反应，记录它的反射弧，把这些数据送到计算机上进行处理，地质专家再根据得出的结论分析石油的分布。应用“神威”机后，可以明显提高分析面积和准确程度。

　　“神威”机在石油领域的另一个重要应用是“油藏模拟系统”。类似大庆那样的老油田，油采出来还要注水平以衡压力。现在地下还剩下多少油，也是需要大量的计算。用普通的工作站，可能要算一个月才有结果，而为了提高准确度，一套程序要算好几遍。一次就要一个月，显然达不到要求。用了神威机之后，由一个月变成了一个星期，现在变成了几个小时。

“曙光”系列超级计算机

　　曙光高性能计算机是我国高性能计算领域的最高成就。凭借长久以来的在高性能计算领域积累的先进技术及经验，曙光能为您提供最完善的高性能计算解决方案。曙光高性能计算机连续13年稳居国产高性能计算机市场第一。拥有国产高性能机70%以上份额，并在高性能集群领域实现国产机对进口产品的超越。【漫漫征程十七载：曙光高性能计算机发展史】

　　曙光一号 1992年 运算速度每秒 6.4 亿次

　　曙光-1000 1995年 运算速度每秒 25 亿次

　　曙光-1000A 1996年 运算速度每秒 40 亿次

　　曙光-2000Ⅰ 1998年 运算速度每秒 200 亿次

　　曙光-2000Ⅱ 1999年 运算速度每秒 1117 亿次

　　曙光-3000 2000年 运算速度每秒 4032 亿次

　　曙光-4000L 2003年 运算速度每秒 4.2 万亿次

　　曙光-4000A 2004年 运算速度每秒 11 万亿次

　　曙光-5000A 2008年 运算速度每秒 230 万亿次

　　曙光-星云 2010年 运算速度每秒 1271 万亿次

曙光5000百万亿次超级计算机

　　曙光5000百万亿次超级计算机，该系统zai 2008年11月公布的全球高性能计算机排名（TOP500）第10位。前9名均为美国研制。在普通家用电脑的运算速度为每秒20亿次左右的时候，曙光5000百万亿次超级计算机的运算能力相当于10万台个人电脑，共有6000颗CPU与100T海量内存，拥有30720个处理器内核，其理论浮点峰值为每秒260万亿次，采用20GB，延迟小于1.3us的Infiniband高速网络进行互联，采用了WCCS + SuSe Linux 双操作系统。

"深腾"系列超级计算机

　　90年代末以生产个人电脑和服务器著称的联想集团，也加入了研制高端计算机系统的行列，且一鸣惊人。2002年由该集团研制的运算速度超过每秒万亿次浮点运算的“深腾1800”高端计算机系统在北京中关村诞生。它是我国第一台由企业研制开发的万亿次级计算机产品，标志着国内大型IT企业开始进入高性能计算领域的研究开发。在当年11月公布的全球高性能计算机TOP500排行榜中，“深腾1800”以每秒1.046万亿次浮点运算的实测性能排在第43位，这也是我国企业生产的高端计算机系统首次入围TOP500。此外，该集团还于1999年和2000年分别推出NS10000及NS20000高性能服务器集群系统，同期从事高性能集群系统研究的还有清华大学和上海大学等单位。1999年由清华大学研制的“探索108”大型群集计算机系统及高效能网络并行超级计算机THNPSC-1问世，其最高浮点计算速度达到每秒300亿次；2000年由上海大学研制的集群式高性能计算机系统——自强2000-SUHPCS在上海诞生，其峰值速度为每秒3千亿次浮点运算。

联想集团“深腾1800”万亿次超级计算机

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