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從算盤到超算，向科學家致敬

2021-06-01 10:14

本來科技

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5月30日是第5個“全國科技工作者日”。在這個向科學家致敬的日子,錢學森、鄧稼先、吳文俊、袁隆平、黃旭華等許多老一輩科學家在這天成為人們“追星”的對象。

人們總是要問:在那個一窮二白的年代,他們是怎樣做到的?

尤其是,那個沒有電子計算機的年代,他們是怎么運算、模擬、設計的?用算盤嗎?

還真是。

一．從算盤到超算

黃旭華院士至今珍藏的“前進”牌算盤

這張圖是“中國核潛艇之父”黃旭華院士至今仍珍藏著的一把“前進”牌算盤。許多人可能想象不到,中國的第一代核潛艇,是用算盤和計算尺一點點算出來的。

中國核潛艇的另外一位“拓荒牛”、近日被中宣部追授“時代楷模”稱號的彭士祿院士,也曾回憶說:“那時沒有電腦,僅有一臺手搖計算機,大家就拉計算尺、打算盤,那么多的數據都是靠這些工具沒日沒夜地算出來的。”

那時的中國,一窮二白。盡管如此,僅靠算盤、計算尺,加上一臺手搖計算機,彭士祿、黃旭華和科研人員計算了十余萬組數據,成功確定了100多個參數。

彭士祿、黃旭華等在中國戰略核潛艇前的合影有時為了保證數據準確,常常是算盤、計算尺兩組一起算,直到結果一致。最終,他們完成了潛艇核動力裝置的基本設計方案。

圖上這把算盤,曾陪伴黃旭華度過無數個日日夜夜。

一代艇如此,“兩彈一星”研制早期也如此。下面這張圖,就是為兩彈一星研制做出過卓越貢獻的“飛魚牌”手搖計算機。

據說,當年蘇聯專家撤離時,給我國科學家們留下了一個原子彈研發的關鍵數據,但這個數據卻與我國科學家計算的結果不一致。“兩彈一星”元勛鄧稼先和同事們就靠著這一臺臺手搖計算機,花了一年多的時間算出了正確的數據,最終成功研發出我國第一顆原子彈。

說起計算機,我國著名流體力學家、中科院院士童秉綱曾有一段難忘的回憶。

他記得,1972年他被派去沈陽一個航空工廠的設計科,從事空氣動力學方面的研究。當時,沈陽工廠引進了一臺計算機,但這臺計算機運行非常不穩定,經常一不小心幾個小時的運算數據就全毀了。

童秉綱只能安排在后半夜上機,出于對運算的擔心,他常常后半夜不能睡覺。長期超負荷工作損耗著他的身體,以至于走起路來頭重腳輕。

童秉綱院士后來,隨著我國計算機事業的起步、發展和騰飛,科技工作者逐步用上了國產的計算機和超級計算機。從“功勛機”109丙機到100系列,從銀河-I巨型機到“曙光一號”,再從“曙光1000”到“神威·太湖之光”,我國逐漸治好了“計算機焦慮癥”。

二．僧多粥少的計算焦慮

但科技工作者們的“計算焦慮”還沒有治好。

很多人沒有接觸過超算,誤以為使用超算和個人電腦一樣,這顯然不對。

以最常見的材料計算為例,研究人員為了獲得某特性的合金材料(比如要滿足某航空器要求),首先需要對材料建模,然后將模型(比如使用Fortran和vasp)寫成代碼、程序發給超算。得到計算結果后,如果材料特性不合格,就要調整模型、改代碼重新計算,如此往復,直至得到滿足要求的材料模型。整個過程難免需要多次計算,而拿到成功模型卻在試制樣品時得不到合格材料也是常有的事兒,這樣一來,還要再去重復上述步驟。

雖然過程曲折艱辛,但如果沒有超算直接制樣試驗,找到合格配方的合金材料沒個幾十年是難以成功的——超算模擬計算已極大加速了這一過程。

中國航空發動機,說到底就是材料不行。類似上面的情況,隨便一種材料的成分比例算下來單位就得以數年甚至十數年計,沒有長時間的知識和數據積累、沒有長時間的財力人力投入是難以促成的。

材料計算還只是應用超算的一種,汽車工業、高端制造、生物信息、藥物研發、氣候模擬、海洋環境、能源勘探、航空航天……這些領域向前進的每一步,都離不開超算。

再加上近幾年大數據分析和機器學習等人工智能應用逐漸成為超級計算機的主要負載,坊間數據“全球的算力需求每三個半月翻一倍”雖稍顯夸張,但也反映了問題。

需要科學計算的人數也在不斷增加。2019年7月,國家統計局發布的《新中國成立70周年經濟社會發展成就報告》顯示,2018年,我國按折合全時工作量計算的全國研發人員總量為419萬人年,是1991年的6．2倍。

在計算機仿真和大數據計算越來越取代實驗成為主流科學研究范式的今天,“僧多粥少”的超算必須以更高效的方式傳遞到用超算的人手中。

自建中小型超算用起來既方便也不方便:方便在沒人爭搶資源,不方便在凡事都要親力親為——從超算的開關機及日常維護這些繁瑣事項,到計算底層開發和優化這些需要高度專業的技術活兒,科學家們獨力難支。

超算云時代的到來,順理成章。

三．超算云服務時代

“超算云”與“云計算”概念略有不同,它是超算擁有者或第三方組織者將超算資源以云服務的形式提供給用戶,解決的是用戶“無超算可用”“無好超算用”“因缺乏技術支持而超算難用”等問題。

“并行科技”是國內最早開展超算云服務的機構之一,近10年的行業服務積累已助其成長為中國超算云服務的領導者。

并行科技基于國家網格與云計算技術,結合自身多年高性能計算研發經驗,推出“并行超算云”一站式超算服務平臺,迄今已綜合300+HPC集群向20多個行業的5萬多用戶(多數為各行各業的科學家)提供超算云服務。

這背后,超60萬CPU核、超30萬臺軟件裝機量的海量資源,已占了通用計算的半壁江山。

自然資源部第一海洋研究所某研究員告訴筆者,他自2013年開始接觸高性能計算起,先后經歷了嘗試自建高性能服務器、2016年后開始采購并行超算云服務的過程,兩階段兩相對比,孰優孰劣,一目了然。

“ 我們課題組的海洋天氣預報、厄爾尼諾現象預測等業務需求以及無固定周期的科研型任務,均通過并行超算云服務得到很好的滿足。”該研究員說, 使用并行超算云服務,大大降低了一次性資本開支,還解決了招標采購、運維管理、系統維護等痛點。

研究方向為“激光約束核聚變”的中科院上海光機所某研究員說,激光實驗中一些計算任務,無法通過所內自建服務器來滿足,比如大規模模擬仿真,他就選擇并行超算云。

“用超算云做一個初步的模擬僅需幾萬元,相比每次幾十上百萬的激光實驗,節約了很多經費。”這位研究員說。

企業研發也看到了超算云服務的優勢。國內風電龍頭金風科技在2017年成為并行科技的用戶,每年的高性能計算預算超過500萬元。在金風科技看來,相比自建超算,并行超算云意味著“多快好省”:資源充足且穩定,有充分的研發支持和及時高效的客戶服務,在保證業務持續性的同時,具有較高性價比,可大大降低公司資本開支。

筆者觀察到,以超算云服務提供計算資源的形式正在國內流行起來。

一方面,國家超算廣州中心、中科院超算中心、國家超算長沙中心、國家超算無錫中心、北京超級云計算中心等眾多大型超算中心構成的海量資源池的超算“電力網”,正通過超算云將這個算力網接入千萬科研工作者的電腦。

另外,阿里云、華為云、浪潮云、騰訊云等也逐步開始推廣超算云的服務形態。

四．與科學家一路并行,“C位”永遠留給“C”

筆者觀察并行科技多年。并行科技作為一家名氣并不太出圈的企業,能夠在國內引領起超算云服務之風,一方面得益于背后專業的超算應用支持團隊(由一批專業計算開發人員和并行應用專業人才組成),另一方面則是他們永遠把服務科學家(及其他用戶)用好超算作為最重要的事來做的企業文化。

用好超算是有門檻的,并行科技推廣超算云服務的過程,貢獻了很多主動付出。換言之,并行不僅關注用戶眼前的急難愁盼,還會主動解決共性難題。

例如,針對合肥某院黃老師團隊PyCDT軟件的安裝難題,技術服務團隊不僅第一時間溝通處理、給出解決方案,為了避免類似狀況的發生,他們又把PyCDT軟件部署到超算公共環境,并為后續用戶預置的軟件作了進一步完善。

再如,在戰“疫”行動中,并行科技也一直與開展各類疫用研發的科學家們一路并行。基于北京超級云計算中心的通用計算資源,并行科技不但第一時間為南科大、中科院長春應化所、晶泰科技等需要超算的團隊提供超算云服務支持,還為這些抗疫勇士們專屬提供“云隊列”功能,幫助他們實現任務云調度,解決任務“排隊”問題。

這樣的例子有很多。用并行科技的話來說,他們心目中“C位”永遠留給“C”(Customer)——“這不是某一天要做的事情,而是每一天都要做的事情。”

在第5個全國科技工作者日到來之際,并行科技推出第二屆“530并行日”,拿出計算資源免費給科技工作者試用,讓他們體驗省心的科學計算服務。連續兩年,并行計算已經拿出價值500萬元的核時數助力這一行動,向科學家致敬。