神威太湖之光獲戈登貝爾獎 打破歐美壟斷應用意義幾何？

　　11月14日，新一期全球超級計算機500強（TOP500）榜單在美國鹽湖城公布，中國神威太湖之光蟬聯(lián)冠軍，由國防科大研制的“天河2號”屈居亞軍。

　　11月17日，在美國鹽湖城召開的全球超級計算大會（SC2016）上，由中科院軟件所楊超和清華大學計算機系薛巍、地球系統(tǒng)科學研究中心付昊桓等共同領導的團隊所完成，運行于神威太湖之光的應用 “千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”獲得戈登貝爾獎，實現(xiàn)了該獎創(chuàng)辦30年來我國在此大獎上零的突破，打破了西方國家對該獎項的壟斷。

　?。ǐ@戈登貝爾獎）

　　為何說神威太湖之光是世界第一？

　　神威太湖之光之所以榮獲TOP500排行榜冠軍，原因在于其Linpack成績無與倫比。

　　Linpack指的是矩陣求解，在科學計算中把實際問題抽象成方程組，然后離散成矩陣計算矩陣倍，代表的是傳統(tǒng)的以矩陣為基礎的數(shù)值計算方法，常用于理科和工科的數(shù)值求解和數(shù)值模擬。那么為何超算大多以Linpack測試成績論高低呢？

　　原因就在于很多科學計算模型都包含了矩陣求解，比如解微分方程，因此在超算任務中具有不可取代性——像輻射流體力學就是求解微分方程，而核爆炸模擬其實就是輻射流體力學+蒙特卡洛預測，雷達截面的矩量法計算也有賴于解微分方程，業(yè)內(nèi)專家還告訴筆者“現(xiàn)在的深度學習算法的核心算法與Linpack的是一個”。..。..。

　　因此，Linpack測試并非是一些跑分軟件那樣：不服跑個分，而是真正具有實戰(zhàn)價值的測試。

　　Linpack效率指的是實際計算時的次數(shù)除以理論計算，舉例來說，神威太湖之光的理論性能為125.4 PFlops，Linpack浮點性能93PFlops，Linpack效率為74.16%。那么，神威太湖之光Linpack測試成績到底如何呢？我們做一個對比：

　　TOP500排行第一，中國，神威太湖之光，理論性能125.4PFlops，Linpack雙精浮點性能為93PFlops，Linpack效率74.16%；

　　TOP500排行第二，中國，天河2號，理論性能54.9Pflops，Linpack雙精浮點性能33.8PFlops， Linpack效率61.5%；

　　TOP500排行第三，美國，泰坦，理論性能27 Pflops，Linpack雙精浮點性能17.6 PFlops，Linpack效率為65.19%。

　　這里要說明一點，就是超算的規(guī)模越大，Linpack測試效率的提高就越難——規(guī)模大到如一定程度，維持一段時間的穩(wěn)定運行是非常難的，何況是太湖神威之光93PFlops的高性能。而神威太湖之光在Linpack測試性能是美國超算泰坦5倍以上的情況下，Linpack測試效率大幅領先于泰坦，這就非?？少F了！

　　神威太湖之光用不起來？

　　由于采用異構計算的原因，會導致在編程上比較麻煩，不像日本京那樣的同構超算在編程上方便——由于異構編程需要提前預知模型并做特殊優(yōu)化，而且很多應用未必適合異構模型，使得采用異構計算的超算對于編程和優(yōu)化的要求更高，進而使一些媒體認為神威太湖之光只能用來跑分刷TOP500排行榜，是用來做政績工程的大花瓶。但實際情況恐怕并非如此。關于這一點，3個應用入圍戈登貝爾獎，一個應用榮獲戈登貝爾獎就是最好的回擊。

　　戈登貝爾獎是由美國計算機協(xié)會頒發(fā)的獎項，獎金1萬美元，由高性能計算的先驅(qū)GordonBell提供，旨在獎勵在高性能計算應用方面取得杰出成就。與TOP 500、TOP100著眼于超算Linpack成績不同，戈登貝爾獎更著重于高性能計算的計算應用。

　　在天河2號和神威太湖之光連續(xù)多年霸占TOP500榜首的情況下，在性能上冠絕全球已經(jīng)不再是中國工程師們瞄準的第一目標，有了高性能的超算如何將超算充分用起來才是迫切要實現(xiàn)的目標，而且在超算應用領域，中國和西方還是有一定差距的——工程仿真領域以商業(yè)軟件多，而且這當中大多是國外軟件，這些國外軟件不僅價格特別昂貴，而且并行規(guī)模受限，有些模塊國外是禁運的，有些可以用于軍工的軟件也嚴禁出售給中國。也正是在應用上存在一定差距，在過去幾十年里，戈登貝爾獎一直被西方國家壟斷。而本次榮獲戈登貝爾獎，對中國高性能計算而言則是里程碑性的成績。

　　獲獎應用意義幾何？

　　“千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”是一種新的用于大氣動力模擬的高可擴展全隱式求解算法和軟件，第一次在有效時間尺度完成了網(wǎng)格分辨率小于500米的大氣模擬。網(wǎng)格分辨率小于500米是什么水平呢？日本的天氣預報、災害預報很準，原因就在于日本的模式水平分辨率最高已經(jīng)達到了870米，在“千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”問世前，這是非常高的水平。而國內(nèi)科研團隊在使用神威太湖之光后，可以將網(wǎng)格分辨率做到比日本最高水平還要精確僅一半。

　　在技術上，“千萬核可擴展大氣動力學全隱式模擬”也實現(xiàn)了應用與算法兩個層面實現(xiàn)了重大突破：

　　在應用層面，第一次證明了全隱式求解方法是構建未來超高分辨率大氣模式一種有競爭力的選擇，該大氣動力過程的模擬速度較美國下一代大氣模擬系統(tǒng)（GFDL開發(fā)的AM3非靜力大氣模式）的計算效率提升近1個數(shù)量級，未來可應用于高分辨率氣候模擬和高精細數(shù)值天氣預報，提升預估、預報精度。

　　在算法層面，實現(xiàn)了目前世界上第一個可擴展到千萬核、峰值效率超過6%的隱式求解器，較2015年戈登貝爾獎獲獎工作在并行度和峰值效率均提升一個數(shù)量級，未來在航空、地學、能源等領域的挑戰(zhàn)性計算問題中有著廣闊的應用前景。

　?。ā扒f核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”核心算法）

　　此外，“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”能應對可能性低但破壞性大的極端天氣，全面提高我國應對極端氣象事件和自然災害的減災防災能力，盡可能保護人民財產(chǎn)安全免受突發(fā)性極端惡劣天氣的損害。