5月30日是第5個“全國科技工作者日”。在這個向科學(xué)家致敬的日子,錢學(xué)森、鄧稼先、吳文俊、袁隆平、黃旭華等許多老一輩科學(xué)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(jī)的年代,他們是怎么運(yùn)算、模擬、設(shè)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(jìn)”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(jìn)”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(jī),大家就拉計算尺、打算盤,那么多的數(shù)據(jù)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(jī),彭士祿、黃旭華和科研人員計算了十余萬組數(shù)據(jù),成功確定了100多個參數(shù)。

彭士祿、黃旭華等在中國戰(zhàn)略核潛艇前的合影有時為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,常常是算盤、計算尺兩組一起算,直到結(jié)果一致。最終,他們完成了潛艇核動力裝置的基本設(shè)計方案。

圖上這把算盤,曾陪伴黃旭華度過無數(shù)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(xiàn)的“飛魚牌”手搖計算機(jī)。

據(jù)說,當(dāng)年蘇聯(lián)專家撤離時,給我國科學(xué)家們留下了一個原子彈研發(fā)的關(guān)鍵數(shù)據(jù),但這個數(shù)據(jù)卻與我國科學(xué)家計算的結(jié)果不一致�！皟蓮椧恍恰痹獎奏嚰谙群屯�事們就靠著這一臺臺手搖計算機(jī),花了一年多的時間算出了正確的數(shù)據(jù),最終成功研發(fā)出我國第一顆原子彈。

說起計算機(jī),我國著名流體力學(xué)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(shè)計科,從事空氣動力學(xué)方面的研究。當(dāng)時,沈陽工廠引進(jìn)了一臺計算機(jī),但這臺計算機(jī)運(yùn)行非常不穩(wěn)定,經(jīng)常一不小心幾個小時的運(yùn)算數(shù)據(jù)就全毀了。

童秉綱只能安排在后半夜上機(jī),出于對運(yùn)算的擔(dān)心,他常常后半夜不能睡覺。長期超負(fù)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(jī)事業(yè)的起步、發(fā)展和騰飛,科技工作者逐步用上了國產(chǎn)的計算機(jī)和超級計算機(jī)。從“功勛機(jī)”109丙機(jī)到100系列,從銀河-I巨型機(jī)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(jī)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(fā)給超算。得到計算結(jié)果后,如果材料特性不合格,就要調(diào)整模型、改代碼重新計算,如此往復(fù),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(fù)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(fā)動機(jī),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(shù)年甚至十?dāng)?shù)年計,沒有長時間的知識和數(shù)據(jù)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(yīng)用超算的一種,汽車工業(yè)、高端制造、生物信息、藥物研發(fā)、氣候模擬、海洋環(huán)境、能源勘探、航空航天……這些領(lǐng)域向前進(jìn)的每一步,都離不開超算。

再加上近幾年大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能應(yīng)用逐漸成為超級計算機(jī)的主要負(fù)載,坊間數(shù)據(jù)“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(xué)計算的人數(shù)也在不斷增加。2019年7月,國家統(tǒng)計局發(fā)布的《新中國成立70周年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)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(fā)人員總量為419萬人年,是1991年的6．2倍。

在計算機(jī)仿真和大數(shù)據(jù)計算越來越取代實驗成為主流科學(xué)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(guān)機(jī)及日常維護(hù)這些繁瑣事項,到計算底層開發(fā)和優(yōu)化這些需要高度專業(yè)的技術(shù)活兒,科學(xué)家們獨力難支。

超算云時代的到來,順理成章。

三． 超算云服務(wù)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(wù)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(shù)支持而超算難用”等問題。

“并行科技”是國內(nèi)最早開展超算云服務(wù)的機(jī)構(gòu)之一,近10年的行業(yè)服務(wù)積累已助其成長為中國超算云服務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

并行科技基于國家網(wǎng)格與云計算技術(shù),結(jié)合自身多年高性能計算研發(fā)經(jīng)驗,推出“并行超算云”一站式超算服務(wù)平臺,迄今已綜合300+HPC集群向20多個行業(yè)的5萬多用戶(多數(shù)為各行各業(yè)的科學(xué)家)提供超算云服務(wù)。

這背后,超60萬CPU核、超30萬臺軟件裝機(jī)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(jīng)歷了嘗試自建高性能服務(wù)器、2016年后開始采購并行超算云服務(wù)的過程,兩階段兩相對比,孰優(yōu)孰劣,一目了然。

“ 我們課題組的海洋天氣預(yù)報、厄爾尼諾現(xiàn)象預(yù)測等業(yè)務(wù)需求以及無固定周期的科研型任務(wù),均通過并行超算云服務(wù)得到很好的滿足�！痹撗芯繂T說, 使用并行超算云服務(wù),大大降低了一次性資本開支,還解決了招標(biāo)采購、運(yùn)維管理、系統(tǒng)維護(hù)等痛點。

研究方向為“激光約束核聚變”的中科院上海光機(jī)所某研究員說,激光實驗中一些計算任務(wù),無法通過所內(nèi)自建服務(wù)器來滿足,比如大規(guī)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(jié)約了很多經(jīng)費(fèi)�！边@位研究員說。

企業(yè)研發(fā)也看到了超算云服務(wù)的優(yōu)勢。國內(nèi)風(fēng)電龍頭金風(fēng)科技在2017年成為并行科技的用戶,每年的高性能計算預(yù)算超過500萬元。在金風(fēng)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(wěn)定,有充分的研發(fā)支持和及時高效的客戶服務(wù),在保證業(yè)務(wù)持續(xù)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(wù)提供計算資源的形式正在國內(nèi)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(gòu)成的海量資源池的超算“電力網(wǎng)”,正通過超算云將這個算力網(wǎng)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(wù)形態(tài)。

四． 與科學(xué)家一路并行,“C位”永遠(yuǎn)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(yè),能夠在國內(nèi)引領(lǐng)起超算云服務(wù)之風(fēng),一方面得益于背后專業(yè)的超算應(yīng)用支持團(tuán)隊(由一批專業(yè)計算開發(fā)人員和并行應(yīng)用專業(yè)人才組成),另一方面則是他們永遠(yuǎn)把服務(wù)科學(xué)家(及其他用戶)用好超算作為最重要的事來做的企業(yè)文化。

用好超算是有門檻的,并行科技推廣超算云服務(wù)的過程,貢獻(xiàn)了很多主動付出。換言之,并行不僅關(guān)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(tuán)隊PyCDT軟件的安裝難題,技術(shù)服務(wù)團(tuán)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(fā)生,他們又把PyCDT軟件部署到超算公共環(huán)境,并為后續(xù)用戶預(yù)置的軟件作了進(jìn)一步完善。

再如,在戰(zhàn)“疫”行動中,并行科技也一直與開展各類疫用研發(fā)的科學(xué)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(yīng)化所、晶泰科技等需要超算的團(tuán)隊提供超算云服務(wù)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(xiàn)任務(wù)云調(diào)度,解決任務(wù)“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(yuǎn)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(fèi)給科技工作者試用,讓他們體驗省心的科學(xué)計算服務(wù)。連續(xù)兩年,并行計算已經(jīng)拿出價值500萬元的核時數(shù)助力這一行動,向科學(xué)家致敬。

向科學(xué)家致敬的姿態(tài):與他們一路并行

并行科技還著眼于未來的超算應(yīng)用保障。比如,并行科技持續(xù)加大“并行基金”的投入,連續(xù)9年舉辦“全國并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽”(PAC),發(fā)掘和定向培養(yǎng)高性能計算機(jī)人才,通過擴(kuò)大人才培養(yǎng)助推中國科研數(shù)字化發(fā)展,緩解科學(xué)家們的計算焦慮。

“科技無止境,對科技的臂助同樣如此�！辈⑿锌萍紝懴碌倪@句話,在“全國科技工作者日”這天顯得更加意義非凡。科學(xué)計算“底座”引擎作用正愈發(fā)凸顯,與科技工作者們一路并行的“并行科技們”,也將走得更快更遠(yuǎn)。

“美好的生活是因為有科學(xué)家在奮斗”。向所有的科技工作者致意!

參考文獻(xiàn):1． 中國科學(xué)報,《彭士祿:中國核動力事業(yè)的拓荒�！�,20140214期第10版

2． 光明日報,《黃旭華:為祖國,“深潛”三十年》20200110期

3． 四川日報,《“兩彈一星”精神主題展在中央黨校開展》, 20190425期

4．  百位著名科學(xué)家的入黨志愿書,《童秉綱:幾經(jīng)風(fēng)雨,對黨信仰不動搖》2021年5月第一版,P90-99

5． 人民日報《2018年研發(fā)人員總量419萬人年 6年世界第一》,20190805期

6． 并行科技《530并行日:用超算更省心》,20210525期