天河二號超級計(jì)算機(jī)由中國國防科技大學(xué)研制，其于2013年下半年在國家超算廣州中心投入運(yùn)行，以峰值計(jì)算速度每秒5.49×10^16次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39×10^16次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能，成為2013年全球最快超級計(jì)算機(jī)。
天河二號超級計(jì)算機(jī)由170個(gè)機(jī)柜組成，包括125個(gè)計(jì)算機(jī)柜、8個(gè)服務(wù)機(jī)柜、13個(gè)通信機(jī)柜和24個(gè)存儲(chǔ)機(jī)柜，占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運(yùn)行功耗17.8兆瓦。并裝備了32000個(gè)英特爾Ivy Bridge Xeon中央處理器和48000個(gè)英特爾Xeon Phi協(xié)處理器，是截至2013年世界上最大規(guī)模采用英特爾Xeon Phi協(xié)處理器的超級計(jì)算機(jī)。其綜合技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，研制過程中突破了新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)等九大核心關(guān)鍵技術(shù)，具有高性能、低能耗、應(yīng)用廣、易使用和性價(jià)比高等五大特點(diǎn)，天河二號自2013年發(fā)布以來，對其系統(tǒng)進(jìn)行了升級，總核心數(shù)也由3,120,000增加到了4,981,760。
2013年6月至2015年11月，“天河二號”連續(xù)6次蟬聯(lián)世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜第一。截至2024年，天河二號已應(yīng)用于生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計(jì)與仿真分析、天氣預(yù)報(bào)、智慧城市、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體等多個(gè)領(lǐng)域。
歷史沿革
研發(fā)背景
1983年12月，國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所成功研制了我國第一臺(tái)每秒鐘運(yùn)算超過1億次的“銀河”巨型計(jì)算機(jī)。1992年，運(yùn)算速度達(dá)到每秒10億次的“銀河Ⅱ”在長沙市問世。1997年，運(yùn)算速度達(dá)到每秒100億次的“銀河Ⅲ”巨型計(jì)算機(jī)也在長沙成功推出。2010年，國家超級計(jì)算天津中心的“天河一號”首次拿下了全球榜單冠軍，但其于2012年的排名掉到了第80位。
研發(fā)歷程
作為中國科技部“十二五”863重大項(xiàng)目立項(xiàng)研制的項(xiàng)目，天河二號從2008年開始研制，按兩期工程實(shí)施，其二期系統(tǒng)于2012年8月在國家超級計(jì)算天津中心升級完成，其由廖湘科等人完成設(shè)計(jì)，并由280人歷時(shí)兩年多研制完成，耗資約1億美元，最終于2013年底在國家超算廣州中心投入運(yùn)行，為120多家用戶提供了300多項(xiàng)典型應(yīng)用計(jì)算，同時(shí)為用戶培訓(xùn)了一批超算應(yīng)用技術(shù)人才。2013年至2015年，“天河二號”連續(xù)6次蟬聯(lián)世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜第一。“天河二號”于2013年研制成功后便以5.46億億次/秒運(yùn)算速度刷新了超算領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。
2015年5月，由北京師范大學(xué)、國防科技大學(xué)、加拿大理論天體物理研究所、北京大學(xué)、中科院高能物理研究所聯(lián)合組成的宇宙中微子數(shù)值模擬團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)，在天河二號上成功進(jìn)行了3萬億粒子數(shù)中微子和暗物質(zhì)的宇宙學(xué)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后約137億年的漫長演化進(jìn)程。
2015年4月9日，美國商務(wù)部發(fā)布報(bào)告稱決定拒絕英特爾向中國的國家超級計(jì)算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。國家超級計(jì)算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)四家國家超算中心也被列入了出口管制名單，這促使中國展開了自主設(shè)計(jì)的道路。2016年6月，天河二號的運(yùn)算記錄才被中國研制的“神威·太湖之光超級計(jì)算機(jī)”打破。
2018年9月11日，國防科技大學(xué)吳俊杰團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)金賢敏合作，在國際上最先開啟了稱霸標(biāo)準(zhǔn)的研究，他們在天河二號超級計(jì)算機(jī)上完成了薩特延德拉·玻色采樣問題的核心難題——積和式的求解。實(shí)際測試的問題規(guī)模達(dá)到48個(gè)光子，并推斷出“天河二號”模擬50個(gè)光子的玻色采樣需要約100分鐘。
2019年11月4日，國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院吳俊杰帶領(lǐng)的QUANTA團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合信息工程大學(xué)等國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，提出了量子計(jì)算模擬的新算法。該算法在天河二號超級計(jì)算機(jī)上的測試性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平，谷歌的工作也引用了這項(xiàng)結(jié)果的預(yù)印版論文。并于當(dāng)天在國際期刊《物理評論快報(bào)》正式在線發(fā)表了該成果。
2024年6月，全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單的最新榜單中，天河二號排名第16位。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)
研制單位
天河二號由國防科技大學(xué)和浪潮集團(tuán)進(jìn)行研制，天河二號的主板、機(jī)架與機(jī)柜均由浪潮集團(tuán)制造。它采用了數(shù)萬枚英特爾的“至強(qiáng)”中央處理器和中國國產(chǎn)的FT-1500核心處理單元，與此同時(shí)國防科大則開發(fā)了其使用的麒麟Linux編程語言。
基本設(shè)計(jì)
天河二號超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由170個(gè)機(jī)柜組成，包括125個(gè)計(jì)算機(jī)柜、8個(gè)服務(wù)機(jī)柜、13個(gè)通信機(jī)柜和24個(gè)存儲(chǔ)機(jī)柜，占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運(yùn)行功耗17.8兆瓦。
技術(shù)參數(shù)
硬件配置
軟件架構(gòu)
性能
天河二號在運(yùn)算加速上，使用基于英特爾集成眾核架構(gòu)的Xeon Phi 31S1P協(xié)處理器，運(yùn)行時(shí)鐘為1.1GHz，每個(gè)使用61個(gè)核心中的57個(gè)（因?yàn)槭褂?1個(gè)會(huì)存在運(yùn)算周期協(xié)調(diào)問題），每核心籍由特殊的超線程技術(shù)能運(yùn)作4個(gè)線程，產(chǎn)生峰值性能為1.003TFLOPS。
2013年6月，天河二號以峰值速度（Rpeak）每秒54,902.4TFLOPS（萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）、持續(xù)速度（Rmax）33,862.7TFLOPS，超越泰坦超級計(jì)算機(jī)（Rpeak 27,112.5TFLOPS，Rmax 17,590.0TFLOPS），成為當(dāng)時(shí)世界上最快的超級計(jì)算機(jī)。這個(gè)成績于2013年6月17日提交至TOP500。
能耗
天河二號整機(jī)功耗17,808千瓦，在搭載水冷散熱系統(tǒng)以后，功耗將達(dá)到24兆瓦，無論水冷系統(tǒng)的搭載與否，都是目前TOP500里功耗最大的以6月17日公布的數(shù)據(jù)推算，每瓦性能為1.901GFLOPS，仍不及泰坦的每瓦2.143GFLOPS和IBM紅杉每瓦2.177GFLOPS的成績，但比"京"的每瓦0.830GFLOPS每和天河一號每瓦僅0.668GFLOPS都要高不少。
連接
?天河二號使用光電混合傳輸技術(shù)（Doeon Optoelectronics Hybrid Transport Technology），使用自制的TH Express-2主干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，以13個(gè)大型路由器通過576個(gè)連接端口以光電傳輸介質(zhì)與各個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，控制器名為NRC，使用90納米制程，單個(gè)控制器的數(shù)據(jù)吞吐量2.56Tbps，終端網(wǎng)絡(luò)接口使用名為NIC的控制器，以PCI-E 2.0接口鏈接，數(shù)據(jù)傳送速率6.36GB/s。
主要特點(diǎn)
天河二號創(chuàng)新性地應(yīng)用了新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)，這不僅強(qiáng)化了科學(xué)與工程計(jì)算的能力，還能高效支持大數(shù)據(jù)處理、高吞吐率及高安全性的信息服務(wù)等多種應(yīng)用需求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了微異構(gòu)計(jì)算陣列和新型并行編程模型及框架，提升了應(yīng)用軟件的兼容性、適用性和易用性。天河二號的服務(wù)陣列采用了在國家核高基重大專項(xiàng)支持下，由國防科技大學(xué)研發(fā)的新一代“FT-1500”CPU。此外，天河二號在高速互連、新型層次式加速存儲(chǔ)架構(gòu)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)與故障管理、綜合能效控制、高密度高精度結(jié)構(gòu)工藝等方面也取得了一系列創(chuàng)新和突破。
綜合而言，天河二號具有五大特點(diǎn)：
發(fā)展方向
天河二號的目標(biāo)是到2020年，使中國形成高端通用芯片和基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系。天河二號還在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方面，對"核高基"專項(xiàng)開展了"智能手機(jī)嵌入式軟件平臺(tái)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化"和"面向新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式的網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)"課題，并取得了顯著進(jìn)展。這些項(xiàng)目推動(dòng)了智能手機(jī)嵌入式軟件平臺(tái)以及3G應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行平臺(tái)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
存在問題
能耗難題
天河二號的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的能耗約為18兆瓦，加上散熱系統(tǒng)的話，其整體能耗在20兆瓦以上。如果正常運(yùn)行，天河二號每年的電費(fèi)就會(huì)超過1億元，年耗電量約為2億度。
芯片缺失
2015年4月9日，美國商務(wù)部發(fā)布報(bào)告，決定拒絕英特爾向中國的國家超級計(jì)算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。國家超級計(jì)算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)四家國家超算中心被列入出口管制名單。
獲得榮譽(yù)
榜單表現(xiàn)
全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單始于1993年，其每半年發(fā)布一次，是給全球已安裝的超級計(jì)算機(jī)排座次的知名榜單。2024年6月，其發(fā)布的最新榜單中，天河二號排名第16。
相關(guān)項(xiàng)目
考古研究
2020年，為了獲得更明確的物種演化時(shí)間線，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院教授樊雋軒的研究團(tuán)隊(duì)使用了天河二號超級計(jì)算機(jī)，深入挖掘了一個(gè)包含大約5.4億到2.5億年前的（古生代時(shí)期）1.1 萬種化石物種。而這龐大的計(jì)算資源在 “天河二號” 超級計(jì)算機(jī)上花費(fèi)了大約700萬個(gè)核小時(shí)，最終，他們將物種大爆發(fā)和大滅絕時(shí)期的生物多樣性精確度縮小到了2.6萬年左右，并將研究成果發(fā)表于2020年1月16日的《科學(xué)》雜志上。
交互合作
截至2021年，已有超過200個(gè)港澳科研團(tuán)隊(duì)通過香港科技大學(xué)霍英東研究院超算服務(wù)平臺(tái)使用天河二號，研究領(lǐng)域涵蓋材料化學(xué)、生物醫(yī)藥、工程機(jī)械仿真計(jì)算、氣候模擬與海洋環(huán)境、金融計(jì)算等，其中便包括香港科技大學(xué)海洋科學(xué)系講座教授、香港科技大學(xué)霍英東研究院海洋動(dòng)力學(xué)和模擬專項(xiàng)主任甘劍平教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“天河二號”超算，成功開發(fā)了新海洋環(huán)流模型。港澳團(tuán)隊(duì)通過付費(fèi)使用超算的總資源數(shù)已超過1.3億核時(shí)。國家超算廣州中心南沙分中心已成為大灣區(qū)大型科學(xué)裝置共享的典范。香港科技大學(xué)霍英東研究院通過超算服務(wù)，持續(xù)為港澳地區(qū)的技術(shù)創(chuàng)新提供支持，促進(jìn)粵港澳大灣區(qū)的科技合作，助力建設(shè)國際科技創(chuàng)新中心。
榮譽(yù)獎(jiǎng)項(xiàng)
應(yīng)用領(lǐng)域
截至2024年，天河二號超級計(jì)算機(jī)已在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，包括生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計(jì)與仿真分析、天氣預(yù)報(bào)、智慧城市、電子商務(wù)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體及動(dòng)漫設(shè)計(jì)等。同時(shí)，它還在大科學(xué)、大工程和信息化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的轉(zhuǎn)型升級提供了重要支持。
在生命科學(xué)、材料科學(xué)、大氣科學(xué)、地球物理學(xué)、宇宙科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域，天河二號正逐步展現(xiàn)其強(qiáng)大的能力，尤其是在大型基因組組裝、基因測序和污染治理等關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)與民生的重要項(xiàng)目中。此外，國家超算廣州中心還積極促進(jìn)國際交流與合作，利用天河二號為海外研究機(jī)構(gòu)提供高性能計(jì)算服務(wù)。
具體應(yīng)用的例子包括C919大型客機(jī)開展的高精度外流場氣動(dòng)計(jì)算；中科院上海藥物研究所開展的75萬個(gè)小分子化合物的結(jié)合親和力評估，完成了600多個(gè)各類藥物的體內(nèi)外活性測試評價(jià)。天河二號還適配了廣州市電子政務(wù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和云盤存儲(chǔ)系統(tǒng)等。
影響貢獻(xiàn)
截至2019年初，天河二號的應(yīng)用已覆蓋中國幾乎所有省市區(qū)域，并產(chǎn)生了全球影響。通過科學(xué)的運(yùn)維工作，天河二號在高負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)了全年穩(wěn)定運(yùn)行，平均每天完成超過3萬個(gè)作業(yè)；系統(tǒng)利用率峰值達(dá)到85.8%，平均利用率為72%。天河二號成為全球用戶數(shù)量最多、利用率最高的超算系統(tǒng)之一。
天河二號作為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)收支平衡并略有盈余的超級計(jì)算機(jī)，不僅提供基本的計(jì)算服務(wù)，還助力企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升研發(fā)效率和市場競爭力。初步統(tǒng)計(jì)顯示，“天河二號”為各類企業(yè)節(jié)省研發(fā)投入上億元，并帶來了超過30億元的相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，天河二號的多項(xiàng)自主關(guān)鍵技術(shù)為世界超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展史做出了來自中國的貢獻(xiàn)。
相關(guān)評價(jià)
正面評價(jià)
天河二號是由國防科技大學(xué)研制的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，連續(xù)六度稱雄全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)。如今中國所有的科研項(xiàng)目，幾乎都離不開這臺(tái)超級計(jì)算機(jī)。（北京科協(xié) 評）
“天河二號”能夠以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為2013年全球最快超級計(jì)算機(jī)。舉個(gè)形象的例子來說，假設(shè)有一個(gè)可容納10萬人的足球場，里面有10萬人，每人有一個(gè)筆記本，那么這樣它的計(jì)算能力相當(dāng)于100個(gè)這樣的足球場上這么多人進(jìn)行計(jì)算的能力。不僅如此，天河二號”的系統(tǒng)存儲(chǔ)總?cè)萘肯喈?dāng)于600億冊每冊10萬字的圖書。如果“天河二號”運(yùn)算一小時(shí)，相當(dāng)于 13億人每人每秒鐘進(jìn)行一次運(yùn)算，同時(shí)用計(jì)算器算上1000年。（太原科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 評）
我對“天河二號”印象“非常深刻”，它擁有超過300萬個(gè)計(jì)算核心，而且互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、前端處理器以及軟件都是中國自主研發(fā)的。（美國田納西大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)教授杰克·唐加拉 評）
反面評價(jià)
（天河二號等超級計(jì)算機(jī)）的最大短板在于應(yīng)用，軟件方面與國際先進(jìn)水平還有很大差距，希望中國把超級計(jì)算機(jī)作為關(guān)系國家長遠(yuǎn)發(fā)展的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)支持，讓超級計(jì)算機(jī)這一“國之重器”更好地發(fā)揮作用。（國家863計(jì)劃高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件重大專項(xiàng)總體組組長錢德沛 評）
天河二號是一邊建設(shè)一邊運(yùn)營的狀態(tài)，整個(gè)釋放出來的資源還比較有限。而在目前已經(jīng)釋放出來的、可以提供服務(wù)的資源中，天河二號的資源利用率是60%，“沒有釋放的資源，我們沒辦法利用，并不存在‘吃不飽’的問題”。不過，袁學(xué)鋒也坦率地說，就整個(gè)系統(tǒng)而言，天河二號的計(jì)算資源非常龐大，“一期系統(tǒng)一排機(jī)柜的計(jì)算資源能力，就相當(dāng)于天河一號總的計(jì)算能力”，天河二號未來的規(guī)劃重點(diǎn)就是要加大推廣應(yīng)用，需要更多的中小微企業(yè)意識(shí)到超算的作用、并用起來。（廣州超算中心主任 袁學(xué)鋒評）
參考資料 >
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“天河二號”成全球最快計(jì)算機(jī).中華人民共和國教育部.2024-02-21
大道向前·躍上新高地丨“天河”，刷新中國“速度”.湖南省科學(xué)技術(shù)廳.2024-02-21
美國禁止向中國出口超算芯片 英特爾表示不解.人民日報(bào)海外版官網(wǎng).2024-02-21
“天河二號”再登全球超算500強(qiáng)榜首.中國政府網(wǎng).2024-02-21
天河-1A.top500.2024-08-03
“天河一號”就是這么神：60億人算一年，它一秒鐘就算完.騰訊新聞.2024-08-03
走近全球第一超算:天河二號背后的故事.新浪科技.2024-07-25
科研背后 | 天河二號設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì):創(chuàng)新鑄就超算中國速度.澎湃新聞.2024-07-25
“天河二號”完成升級 “最強(qiáng)大腦”藏在你身邊.搜狐網(wǎng).2024-07-25
天河二號被禁購，內(nèi)幕在這里！.電子發(fā)燒友.2024-07-25
“天河二號”算出量子霸權(quán)標(biāo)準(zhǔn).www.xinhuanet.com.2019-07-30
國際領(lǐng)先！“天河二號”算出量子霸權(quán)標(biāo)準(zhǔn).百家號.2024-07-25
天河二號.福州大學(xué).2024-07-25
中國超級計(jì)算機(jī)天河二號獲世界超算“三連冠”.觀察者.2024-08-31
世界第一超級計(jì)算機(jī)和Ubuntu在一起.www.ithome.com.2019-07-30
目前全球計(jì)算速度最快的計(jì)算機(jī)---天河二號.廈門大學(xué).2024-08-31
TOP500.TOP500.2024-08-31
超級計(jì)算機(jī)強(qiáng)榜單公布 中國超算數(shù)量位列第一.人民網(wǎng).2024-07-25
“太湖之光”獲世界超算冠軍 中國連續(xù)4年摘冠.news.china.com.2019-07-30
中國超算三奪世界冠亞軍 美國跌出前三正憋大招.news.ifeng.com.2019-07-30
超算“天河二號”發(fā)現(xiàn)5億年前的地球物種演化秘密.百家號.2024-07-25
香港校園 : FYTRI | 港科大教授開發(fā)新海洋環(huán)流模型 .微信公眾平臺(tái).2024-07-25
「創(chuàng)新湖南」“天河二號”摘得湖南首個(gè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng).百家號.2024-07-25
科研背后 | 天河二號設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：創(chuàng)新鑄就超算中國速度.澎湃新聞.2024-08-03
超級計(jì)算機(jī)全球四連冠：天河二號背后故事.中國氣象局.2024-08-03
“天河二號”超級計(jì)算機(jī).MBA中國網(wǎng).2024-07-25
中國天河二號成全球最快計(jì)算機(jī) 速度超美1倍.環(huán)球網(wǎng).2024-07-25
“天河二號”否認(rèn)“吃不飽” 利用率已達(dá)60%.南方網(wǎng).2024-08-31