《科技创新与品牌》杂志社院士天地

奋斗在世界高性能计算技术的前沿

陈国良院士陈国良院士


        2007年12月27日,高性能计算机 “KD-50-I”在中国科技大学问世,彻底结束了中国高性能计算机的“空芯”时代。中国高性能计算取得了历史性的重大突破。这是首次采用我国完全自主的高性能芯片研发成的万亿次计算机。该研发项目的负责人就是中国科学技术大学国家高性能计算中心主任陈国良院士。陈教授虽然年近七旬,但是依然精神矍铄,他那略带忧郁的眼睛依然闪烁着对未来的希望,他将自己的全部心血奉献给中国高性能计算机及其应用事业。

高性能计算机KD-50-I高性能计算机KD-50-I


        国产高性能计算机重大突破

        2008年是一个中国人永远无法忘记的一年,因为百年奥运的梦想正在变为现实;2008年也是中国科学技术大学发展历史上的重要一年,因为科大人正满怀激情地庆祝学校50周年华诞。“KD-50-I”国产万亿次高性能计算机的成功研发,就是陈国良院士和他所率领的团队给中国科大50岁生日献上的一份厚礼。
        “我们给这台高性能计算机命名为‘KD-50-I’,其中‘KD’是科大的简称,‘50’意味着2008年中科大的50周年校庆,‘I’就是第一台的意思,希望在不久的将来,我们能继续开发出基于龙芯3号多核处理器的高性能计算机系统‘KD-50-Ⅱ’。”陈国良院士满怀深情地说。 
        KD-50-I是在教育部“985工程”建设项目的支持下,由中国科技大学计算机系与中国科学院计算所通过“所系结合”的方式,以陈国良院士等为项目负责人的技术创新队伍经过艰苦努力,才得以完成的重大科研创新项目。
        2007年12月26日,以王守觉院士为主任的专家委员会对KD-50-I做出权威鉴定,认为它的理论运算峰值达到10080亿次/秒,是中国高性能计算机国产化的一次重大突破。
        万亿次计算机是体现一个国家整体计算机水平的硬指标,而处理器更是最为关键的核心。中央处理器(CPU)是计算机系统的核心部件,负责整个系统指令的执行、数学与逻辑的运算、数据的存储与传送等。在CPU技术上,我们跟国外厂商有着较大的差距。缺乏具有自主知识产权的CPU芯片,曾经是困扰我国计算机产业的一大“芯”病。“龙芯1号”是我国第一款自主开发的高性能通用CPU芯片,由中国科学院计算技术研究所于2002年研制成功,从而结束了中国无“芯”的历史。2007年7月底,龙芯2号系列的升级产品—“龙芯2F”系统芯片(SoC)流片成功。经过两个月的严格测试,没有发现任何设计错误,正式定型。为意法半导体公司提供的百万片量级的“龙芯2F”大规模生产,标志着龙芯处理器又跃上了一个新台阶,而“龙芯2F”芯片在国产万亿次高性能计算机上的应用再次见证了我国造“芯”的实力。
        “KD-50-I”万亿次计算机采用单一机柜,集成了336颗“龙芯2F”处理器,理论峰值计算能力达到1万亿次。整机系统结构先进,采用了高密度节点设计技术,在高度不到4厘米的1U标准机箱内部紧密部署12个处理单元,组成1U12P高密度节点结构。硬件系统采用了我国自主设计的“龙芯2F”处理器、华为自主研发的千兆以太网交换机以及曙光服务器前置机等。系统软件以开源软件为主,具有兼容性强、易维护、易升级、易使用等特点。 
        陈国良院士说,“KD-50-I”具有“三低一高”的特点,首先是低成本, 75万元人民币就可以买到;低功耗,耗能6000瓦之内就可以了;还有低占地面积,336个CPU安装在一个机箱里面,它的体积只相当于一个冰箱,而这个“冰箱”相当于我们这个中心机房5套进口的整体计算机的计算量。 
        专家们一致认为,“KD-50-I”万亿次机的研制成功,是高性能计算机向个人化方向发展这一理念的首次成功尝试,确立了国产高性能通用处理器在高端并行机应用中的核心地位,为我国未来研制国产千万亿次计算机和提高自主创新能力起到了示范作用,对推动我国民族高性能计算机事业的发展和保证国家安全具有重要的战略意义。

陈国良院士在介绍新计算机陈国良院士在介绍新计算机


        少年壮志振兴中华民族产业

        陈国良院士的人生与中国的计算机事业结下了不解之缘。他对民族计算机事业的热爱源自于他对祖国诚挚的爱,他自觉地肩负起振兴中华的神圣使命。陈国良院士出生于淮河之滨颍上县陈桥乡的一个贫寒家庭,童年的艰苦岁月给他的人生烙下了难以磨灭的印记。小时候经历的一件事情,至今他仍然能够清楚地记得。他说:“那还是读小学的时候,当时大部分火柴都是洋货,但有一次我看到一个火柴盒上写着‘安全火柴,提倡国货’,心里感到一震。”从那时起,支持国货就在他的心灵深处扎下了根。
        1956年,陈国良以优异的成绩考上了上海交通大学电力系学习“强电”专业,后来他随学校搬到了古城西安(即现在的西安交通大学)学习。不久,学校选拔人才学习当时最先进的计算机专业,陈国良凭借优异的成绩和在劳动中的出色表现,开始进入无线电系改学“弱电”计算机专业。大学毕业后,陈国良“携笔从戎”,先分配到部队,然后转业到太原的工厂。在部队的4年里,陈国良有机会接触军用计算机,这为他以后从事高性能计算机的研究打下了基础。1973年调入中国科技大学,此后一直从事计算机的教学和研究工作。陈国良院士幽默地总结自己的24字人生是“亦农亦工、亦文亦武、亦强亦弱、亦硬亦软、亦虚亦实、亦东亦西”。他解释说,干农活长大,又在工厂做工,一边科研,一边从军,所以叫“亦农亦工、亦文亦武”;先学“强电”,后学“弱电”,既从事计算机硬件研制,也搞计算机软件,可谓“亦强亦弱,亦硬亦软”;既做理论研究,又做实际应用,在世界东西方各地进行交流讲学,实可谓“亦虚亦实、亦东亦西”。
        陈国良原来是从事计算机科学理论研究工作的,他上世纪80年代初在国内最早开展了非数值并行算法方面的研究,提出了一系列新观点和新方法,在选择网络、组合优化等方面设计出一些国际同期最好的并行算法。1992年,在计算所的努力下,我国第一台每秒25亿次的高性能计算机——曙光1000研制成功。就在这台计算机诞生的第三天,美国宣布解除10亿次计算机对我国的禁运。然而,研制出来后面临推广应用的困难,有人甚至对国产并行机表示怀疑。一想到小时候用的火柴盒上写着的“安全火柴,提倡国货”八个字,陈国良教授就热血沸腾,他身先士卒报名成为第一批国产机推广“敢死队”。平时不爱与人争执的陈国良,在推广国产机曙光1000受到阻力时却极力抗争,并在自己的实验室购置了一台。他说,无论多难,也要发展民族计算机产业。陈国良坚持认为,不怕国产机不好用,就怕你不用,通过用可以发现不好用的地方,有毛病可以找专家来帮助解决,才能使不好用变成好用。有些人喜欢用进口机器,对国产机的使用存在着多种疑虑,陈教授将设计师请到用户现场解答问题。由于陈国良以愚公移山的精神,坚持不懈的努力,成功地打开了国产并行机的应用局面,他本人代表我国出任国际高性能计算亚洲常务理事,并获国家“863”计划15周年先进个人重要贡献奖。这正如中科院计算所所长李国杰院士所说,核心技术并不是技术人员想像出来的,而是用户“用”出来的。

        淮河防洪防污智能调度系统

        “生我者江淮父老也,养我者江淮大地也,我有什么理由不为江淮父老服务?”这位喝淮河水长大的淮河之子,对母亲河怀有与生俱来的情感。他的母校凤台中学就毗鄰淮河大堤,陈国良从小就对淮河水患感同身受。每逢洪水暴发,一夜醒来,学校周围一片汪洋。在汛期暴雨的肆虐之下,万顷良田顿时变成茫茫水泽,乡亲父老不得不四散逃荒,这一切在他的心里留下难以抹去的阴影。
        淮河的治理倾注了新中国几代水利专家的心血,但是淮河水系复杂,上游水库繁多,如何对这些大型水库进行全局优化调度,利用“蓄泄兼施”,达到“上控、 中畅、下泄”,这就需要精密的计算和调度。多年来,陈国良与水利部淮河水利委员会紧密合作,成功研制了“安徽省防灾减灾智能信息与决策支持系统”。该系统使用曙光1000作为服务器,将中尺度数值气象预报模式MM4的计算结果作为水情预测和群库优化调度的决策参考依据,在汛期对淮河中上游9大水库进行防洪调度,取得了显著的社会和经济效益。这项成果获得了2001年度国家科技进步二等奖。
        2003年夏天,淮河流域遭受了50年一遇的特大洪涝灾害,陈国良带领中国科大10多名师生亲临防洪一线,为防洪调度决策提供高性能计算支持。2007年淮河流域再次遭受历史性特大洪水,他带领技术人员与淮河防汛指挥人员,亲临王家坝、姜塘湖行蓄洪区等进行实地勘察,温家宝总理给予了“科学防控,紧张有序”的高度评价。水利部淮河水利委员会在感谢信中说:“特别感谢陈国良教授项目组,在淮河防洪战斗中亲临防洪调度第一线及时提供高性能计算支持,使我们取得战胜特大洪水的胜利”。
        淮河流域是一个“水患”与“污患”并重的特殊流域,非汛期的防污、控污也是一项重大而艰巨的任务。如何充分利用淮河流域有限的水环境资源和现有的水利工程措施进行河、湖水质的有效管理与控制,是当前及未来不可缺少的重要手段。陈国良牵头与水利部淮河水利委员会共同承担了新一轮高性能计算“863”重大专项研究项目“淮河流域防洪防污调度系统”。该项目是利用“计算网格”等网格计算技术,构建流域数字化基础信息平台,开发水资源污染控制的综合应用系统。
        2004年7月中旬,淮河遭遇了巨大污水团的侵袭,陈国良院士带领师生亲临防污调度的指挥现场,他们将所研制的淮河流域防洪、防污两个应用系统联合起来,运用河网水动力及污染物输移扩散计算模型对河道中污染物的输移、污染团的形成与变化进行高性能实时预警预报。
        由于陈国良院士所率领的团队为水污染联防提供及时、科学的调度决策依据,给防污工作赢得了宝贵的时间,使水污染造成的危害明显降低。

        为民族未来培养创新性人才

        “我们有能力在高性能计算技术上赶超世界先进水平,在世界高性能计算机领域占有一席之地。”陈国良院士对中国高性能计算事业的未来充满信心。
        如今,高性能计算已被看成是衡量一个国家综合国力和国际竞争力的重要指标,也是世界各国竞相争夺的战略制高点,各国都在加大对高性能计算的投入。要想在世界高性能计算领域占有一席之地,关键在于人才。30多年来,陈国良虽然承担了繁重的科研任务,但是他一直坚守在教学一线,并以此为乐。“作为一名科大教师,做科学研究固然重要,但更重要的是教书育人。”他说,“高水平的学者、科研骨干都应该给学生上课,让学生体验到创造的过程,看到本质。”在他培养的60多名博士生中,不少人已经成为国内外学科带头人和技术骨干。
        为民族未来培养创造性人才,是陈国良人生中最快乐的事情。尽管陈教授已近古稀之年,但只要一站在讲台上,他就立刻精神抖擞,像演员一样很快进入角色。他说:“讲课是一门艺术,登台讲授要像演员一样,在短时间内要充分利用讲台这个舞台,把你的才艺发挥得淋漓尽致。”在贵阳、成都、太原等地为全国高校青年教师举办的培训班上,陈教授有时一天要站在讲台上讲六七个小时,有时持续一个月,星期六也不休息,这是年轻教师都难以承受的高强度脑力劳动。
        陈教授十分注重学生创新精神和创新能力的培养,积极引导学生在学习的过程中实践,在实践的过程中提高,在提高的基础上创新。他说:“发表论文不是我们高校的唯一指标,我们必须面向国家实际需求,在工程实践应用中培养创新型人才。”