天河二号成为世界超算双料冠军

标志中国超级计算机继续保持国际领先地位

北京时间2014年11月20日上午，在美国新奥尔良市召开的世界超级计算机大会上传出喜讯：国防科技大学天河二号，在国际TOP500组织首次发布的高性能共轭梯度基准测试排行榜上，位居世界第一。此前，由这个组织发布的第44届世界超算500强排行榜中，天河二号位居榜首。两项桂冠花落天河，标志着中国超级计算机继续保持国际领先地位。

TOP500组织是发布全球已安装的超级计算机性能排名权威机构，以系统的实测速度为基准进行排名，每隔半年发布一次。高性能共轭梯度基准测试是该组织首次发布，它与系统的实际应用相关性更强，更能反映超级计算机在科学与工程计算实际应用中的性能。

天河二号是国防科大承担完成的国家863计划和“核高基”国家科技重大专项项目，推广应用取得了显著社会经济效益。2013年11月在国家超算广州中心投入运行，向国内外用户开放使用。目前，天河二号已构建起材料科学与工程计算、生物计算与个性化医疗、全数字设计与装备制造、能源及相关技术数字化设计、地球科学与环境工程计算、智慧城市与大数据处理六大应用服务平台，已先后为国内外220多家用户提供了高性能计算和云计算服务，在基因分析与测序、大型飞机和高速列车设计、大型装备制造、新材料、新能源、地球物理、生物医药、电子政务及智慧城市等方面发挥了重要作用，为近百个国家重大科技项目、国际合作项目提供了高性能计算支持，取得了显著的经济效益和社会效益。

据介绍，中国商飞北京民用飞机技术研究中心利用天河二号开展大型客机全参数气动优化设计计算，仅用6天时间就完成了过去需要2年才能完成的计算量。华大基因利用天河二号开展极大规模基因组组装计算，取得重要研究成果。德国慕尼黑工业大学等合作团队，利用天河二号开展的真实地震震波传播模拟工作，模拟再现了1992年美国加州兰德斯大地震震波传播过程，为研究地震波产生传播机理和地震预报提供了新的途径。目前该成果已获得国际高性能计算应用领域的最高学术奖项――戈登贝尔奖提名。

主要性能

天河二号自主创新了新型异构多态体系结构，在强化科学工程计算的同时，可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用需求，设计了微异构计算阵列和新型并行编程模型及框架，提升了应用软件的兼容性、适用性和易用性。天河二号服务阵列采用了国家核高基重大专项支持、该校研制的新一代“FT-1500”CPU，这是当前国内主频最高的自主高性能通用CPU。天河二号还在高速互连、新型层次式加速存储架构、容错设计与故障管理、综合化能效控制、高密度高精度结构工艺等方面取得了一系列创新和突破。

应用领域

天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、智慧城市、电子商务、云计算与大数据、数字媒体和动漫设计等多个领域，还将广泛应用于大科学、大工程、信息化等领域，为经济社会转型升级提供重要支撑。

天河二号逐步在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理、宇宙、经济学，以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”。此外，国家超算广州中心积极推动国际交流与合作，利用天河二号为国外研究机构提供高性能计算服务。

据悉，科技部近年不断加大对超算应用软件研发的投入。“十二五”以来的相关研发投入已超过2亿元。预计“十三五”期间投入将进一步加大。

根据该专项“面向大规模科学计算的高性能多核CPU”课题计划安排，2011年中国将采用FT-1500CPU构建全自主国产千万亿次计算机――“天河二号”。

2009年，中国首台千万亿次计算机“天河一号”研制成功，运行“核高基”专项支持研制的银河麒麟操作系统，名列当年的国际超级计算机TOP 500排行榜世界第五位、亚洲第一位的排名，并使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。

相对于上世纪颇负盛名的“两弹一星”。“核高基”专项被誉为中国新时期的"两件(核心电子器件、基础软件)一芯(高端通用芯片)"，主要涵盖了核心的电子器件、高端通用芯片、基础软件产品三个方向；掌握其关键技术并实现产业化对于中国实现以信息化带动工业化、确保国家信息安全至关重要。

在高端通用芯片方向，"核高基"专项重点部署了高性能服务器多核CPU、安全适用计算机CPU及嵌入式CPU；在基础软件产品方向，重点部署了操作系统、数据库、办公软件、中间件、重大信息化应用等基础软件。

 研究进展

从2010年11月14日天河一号排名世界第一到2013年6月17日天河二号再登世界超算之巅，从天河一号4.7千万亿次到天河二号5.49亿亿次，从超级计算机由千万亿次级(1015)迈入亿亿次级(1016)计算速度，这是国防科技大学天河团队再次创造的“中国速度”！

天河二号取得了一系列技术创新和突破，涉及到体系结构、芯片技术、高速互连、存储架构、编程模型、能耗控制、系统管理、结构工艺等诸多方面，使得天河二号综合技术取得了国际领先地位。在研制过程中，我们立足自主创新，突破亿亿次级超级计算机系统的一系列核心关键技术，使国产超级计算机自主创新、自主可控能力显著提升。”谈起天河二号的优越性能，天河二号工程总指挥、总设计师廖湘科研究员说：“与国外同类先进超级计算机系统相比，天河二号的计算速度领先，互连技术领先，计算密度领先，应用面更广。”

天河二号的体系结构设计，创新发展了天河一号“异构协同计算”的技术路线。自主创新的新型异构多态体系结构、新一代高性能通用CPU、高速互连技术、新型层次式加速存储架构等，可高效支撑大数据处理、高吞吐率和高安全的信息服务等多领域应用。

高吞吐率和高安全信息服务功能主要是由国家核高基重大专项支持、该校自主研制的新一代FT-1500CPU来完成的。这是当前国内主频率最高的自主高性能通用CPU。1片FT-1500计算1小时，相当于1亿人同时计算60天。

“中国创造”在天河二号上比比皆是，涌现了多个国际领先和国际先进――基于自主通信接口芯片和互连交换芯片设计实现了光电混合的自主定制高速互连系统，性能是当前国际上最先进的商用互连系统的2倍；继续保持国际领先地位；采用综合化的能耗控制机制，能效比进入国际先进行列；设计实现了基于背板前后对插、水平盲插的高密度高精度组装结构，使得天河二号的计算密度处于国际领先水平……以高密度高精度结构工艺为例，天河二号共170个机柜，占地面积与天河一号基本相同，但性能却是它的11.6倍。与此前排名世界第一的美国“泰坦”系统相比，占地面积是它的85%，性能是它的两倍。