作者:于冬阳 来源:新华网 发布时间:2014/10/10 16:20:19
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为我军插上超算翅膀——国防科大计算机学院纪事

 

为我军现代化插上超算翅膀

——国防科技大学计算机学院聚焦战斗力抢占科技制高点记事

国防科技大学计算机学院作为我军信息化建设的排头兵,着眼我军战斗力生成模式转变和“能打仗”、“打胜仗”战略需求开展科研活动,先后成功研制银河/天河系列超级计算机、飞腾系列芯片等一大批重大科研成果,其中天河二号超级计算机连续三次夺得世界超级计算TOP500冠军,为加快推进中国特色军事变革,加速实现我军现代化建设提供了重要的战略支撑。

封闭式攻关创奇迹

“天河一号”工程启动后,总设计师杨学军决定带领带团队走别人没有走过的路,在世界上率先采用CPU+GPU异构融合体系结构,利用GPU加速通用应用程序运行。

但如何发挥GPU计算性能,是举世公认的科学难题。“天河一号”总师组将破解这个难题的艰巨任务交给了杨灿群带领的课题组。他们组成CPU+GPU异构系统后,测算发现在图形处理中有着强大计算能力的GPU整体计算效率只有20%左右,尽管达到了当时国际先进水平,却远远达不到“天河一号”所需的计算效率。

关键时刻,杨灿群发扬银河精神,带领课题组带来到远离市区、四面环山的市抗洪抢险指挥中心进行封闭式攻关,开展GPU计算效能优化研究。他们不会客、不外出、不看电视,每天只做一件事:一遍遍演示程序,眼睛紧紧盯着屏幕,从那些不停滚动的浩如烟海的数据中,寻找一个个稍纵即逝的灵感,捕捉一次次优化GPU计算效能的机遇,然后把计算程序改了一遍又一遍。

那周,杨灿群与战友们和往常一样,从早上7点盯到午夜,从周一盯到周五,竟然没有发现一次战机,没有取得任何战果。连续鏖战数日,早已筋疲力尽的杨灿群,躺在床上辗转反侧,难以入眠,那些数据尤如一群蜜蜂,在眼前不停地窜来窜去。闭上眼睛,满脑子还是那些波涛般滚动的数据。他不甘心,往常从周一到周五,都能找到性能优化突破口,然后利用周末时间研究优化方法。突然,他隐隐觉得眼帘上滚动的一些数据低于设计目标。他一骨碌从床上爬起来,从家里跑到办公室,打开与服务器相联的笔记本电脑,进入试验数据库,果然发现GPU一部分计算资源没有用起来。兴奋难抑的杨灿群,立刻着手程序优化。当他改完程序进行试算,GPU计算性能又一次提升。当起身打开房门时,只见太阳爬上了山顶,他露出灿烂的笑脸。

类似这样的优化改进,他们在两个月里进行了一万多次,终于把GPU计算效能提升到58%,充分展示了“天河一号”CPU+GPU技术的光明前景。

杨灿群带领大家继续冲刺,不分昼夜反复测试、研讨、改进,虽然每次提升都如同滴水般微小。但他们连续奋战四个月,先后改进优化8万余次。8万多“水滴”汇集起来,创造了一个科学奇迹:GPU计算效能跃升至70%以上,为“天河一号”横空出世并冲刺世界领先水平扫清了障碍。

2010年11月,世界超级计算机排行榜Top500发布,“天河一号”登上世界之巅,持续性能达到2.566千万亿次,是排名第二的美国超级计算机的两倍多。

研制我军装备“中国芯”

高性能微处理器(CPU),是决定计算机运算速度、总体性能的关键器件,是超级计算机攻关的核心技术,也是西方发达国家严密封锁的高端产品。

早在20世纪70年代,国防科技大学开始高性能微处理器技术自主创新之路,研制出一系列专用集成电路和“飞腾”微处理器。

1999年,我军某重大装备研制进入关键阶段。这时,以美国为首的西方国家突然宣布对我国急需的高性能电子中枢控制系统实行严格的技术封锁和关键元器件禁运,使该装备研制工作陷入困境。

为打破困境,改变中枢控制系统关键元器件受制于人的被动局面,总装备部决定紧急启动国产高性能电子中枢控制系统关键元器件研制工作。

计算机学院高性能微处理器创新团队临危受命,承担起研制微处理器型号工程任务,成立了由卢锡城总指挥、李国宽总师、陈书明副总师、孙锁林副总师等组成的行政、技术和质量指挥管理线,抽调胡封林等20多名技术骨干组成了攻关突击队。

他们攻克了一个个技术难关,解决了一道道技术难题,成功研制出型号芯片。

鉴定会上,以三位院士为首的鉴定委员会专家这样评价:“该芯片研制成功,在微处理器体系结构和逻辑设计的兼容技术等方面,推动了国内微处理器技术进步,填补了国内空白,对打破受制于人的局面有着重要的意义。”

他们研制的型号微处理器,大批量应用于我军现代化建设,获得国家科技进步二等奖、军队科技进步一等奖。

21世纪初,为迎接世界军事变革,我军建设急需自主研制高性能CPU。学校高性能微处理器创新团队再次应战,承担起研制重任。他们在国外对有关资料严格封锁的情况下,100多个研制人员,从总师到图纸设计员,每周七个工作日,每天工作十几个小时,艰苦奋战5年,突破了体系结构、图纸设计、实现技术等环节的一系列关键技术,完成了该型号芯片研制,创造了3个“中国之最”:国内最早实现超标量CISC体系结构的微处理器,国内最复杂、最大规模的微处理器超深亚微米全定制设计技术,国内最早实现全定制微处理器时序建模与时序分析技术。

2007年,该成果获军队科技进步一等奖,2008年再获国家科技进步二等奖。

2009年,在国家“核高基”专项课题的支持下,国内首款抗辐照高性能数字信号处理器研制项目立项。陈书明带领创新团队开始了国内首款宇航级高性能DSP芯片的攻关。

近年来,高性能微处理器创新团队,成功突破高性能微处理器体系结构、超深亚微米集成电路设计、抗辐照和高可靠性军用微处理器设计等若干关键技术,先后研制成功通用CPU、嵌入式CPU、DSP、高性能计算机芯片组等大规模集成电路,填补了多项国内空白,打破了国际封锁,成功支撑了超级计算机研制,为我军信息化建设作出了巨大贡献。

为重大军事活动借“东风”

“超级计算机研制难,应用更难。”这是世界超级计算机领域的共识。超级计算机应用之所以“更难”,是因为超级计算机技术与应用领域之间横亘着一条条难以逾越的学科鸿沟,它导致世界超级计算机使用效率普遍偏低。

计算机应用创新团队瞄准这一世界难题,大胆进行大学科交叉研究,为超级计算机应用架起一座座金桥,使超级计算机在核物理、地质勘探、航空航天、生物医药、生命科学等领域得到了广泛应用,其中在军事天气预报领域的应用,直接为提升我军战斗力作出贡献。

气象条件在战争中是制胜的重要因素。20世纪90年代中后期,宋君强开始带领团队开展军用天气预报技术研究,成功突破高效分布式并行算法设计与实现等一系列关键技术,仅用一年半时间,完成了国外同行需要三年时间才能完成的大型分布式并行应用软件系统开发研制,建立了我军第一代军用数值天气预报系统,实现了我军中期数值天气预报零的突破。此后,他又带领大家先后完成了空军航空中期数值天气预报业务系统、全球中期数值天气预报系统、边界层高分辨率数值天气预报系统。

“十一五”期间,他带领团队针对制约我军用天气预报科技发展的瓶颈——全球资料四维变分同化技术,进行了艰苦探索,解决了多分辨率增量四维变分同化、卫星辐射率资料直接同化和切线性/伴随模式等技术难题,成功研制了我国第一个业务化全球气象资料四维变分同化系统;这个团队瞄准国际数值天气预报科学主流方向——全球预报模式,突破了高分辨率全球模式等系列关键技术,成功研制出我军第二代全球预报业务模式。在此基础上,研制成功第二代军用数值天气预报系统。该系统的预报准确率与欧美气象强国相当。

然后,作为多项临近空间环境预报技术研究项目负责人的宋君强,又将探索的目光瞄准了临近空间。目前,项目研究已取得阶段性成果,成功地将我军气象保障范围由对流层拓展至临近空间中下部。

这些系统的预报产品,已成为我军各级气象保障单位日常天气会商、预报保障的基本依据,在部队日常训练、重大军事行动和国防科学试验等任务气象保障中发挥了重要作用。特别在天宫一号/神舟九号、神舟十号载人交会对接,航母海上试验等国家和军队重大任务的气象保障中发挥重要作用。

《人民日报》《解放军报》《光明日报》《科技日报》等媒体纷纷予以报道,称赞“我军军事气象保障手段发生革命性变化,提升了我军军事气象保障能力”。

为“北斗”研制灵敏“大脑”

卫星定位导航技术,是现代信息化战争的重要技术支撑。美国以在世界上率先建成的卫星定位导航系统(GPS)为平台,不仅在伊拉克战争、科索沃战争、阿富汗战争中,实施了一系列精确打击,而且经常以中断GPS信号威胁包括中国在内的发展中国家。卫星定位导航技术,已经成为决定国家前途、民族兴亡的关键技术。

为扭转国家在卫星定位导航技术领域的被动局面,推进国家和军队信息化建设,经国务院、中央军委批准,我国启动了“北斗”卫星定位系统工程。

计算机学院党委认为:“北斗”工程是军队信息化建设重大工程,计算机学院作为研制出银河系列巨型机的单位,理应积极参与工程建设,运用深厚的技术积累为提升我军战斗力作出直接贡献。

“北斗”信息处理系统,是定位导航系统的重要组成部分,承担着整个大系统的数据处理、信息交换、系统管理和业务管理的核心任务,是确保全系统定位、通信、定时三大主要功能实现的神经中枢,人们形象地将其喻为“北斗大脑”。计算机学院党委积极组织力量参加国家招投标,成功地争取了这一“北斗”工程关键技术攻坚重任,与总参有关部门签订了“北斗”地面应用系统信息处理分系统研制合同。

计算机学院成立了以王志英为总设计师,金士尧、赵龙、朱海滨为副总设计师并兼任三个子系统主任设计师的技术攻关队伍。

全体参研人员不辞劳苦,奔赴北京、武汉、西安、上海等地开展广泛深入调研,于1997年5月完成了总体方案研究。总参评审专家认为:“该总体方案技术先进,论证科学、工程性强,实现措施有力,达到信息处理分系统研制技术要求。”

工程全面启动后,全体参研人员迅速推进工程进展:

1998年5月,完成了信息处理分系统概要设计与接口协调。

1998年8月,信息处理分系统概要设计通过卫星定位总站、总装备部测通所、总装备部北京航天指挥测控中心、中国科学院武汉物理所、总参测绘研究所联合评审。

1998年9月,信息处理分系统进行内部定时、定位及高程库应用程序联调,取得较好效果。

1999年2月,信息处理分系统进入全面大联调阶段。

1999年9月,信息处理分系统进入试运行阶段。

……

2000年,中国第一颗“北斗”试验卫星发射升空,宣告“北斗一号”工程建成,并开始在减灾救灾、交通运输、国土测绘及军事行动中发挥作用。

2011年12月28日,中国向世界宣告:“北斗”卫星定位导航系统向全世界提供全球导航服务,成为世界上第四大全球卫星导航系统。

应用证明,计算机学院研制的信息处理系统完全达到了“快捕快跟快处”要求。人们称赞计算机学院“为北斗研制一个灵敏的大脑”。

让国人用上国产操作系统

我们祖先发明的珠算,假如没有那些“口诀”,算盘能发挥什么作用呢?同样,没有基础软件支撑的计算机,也是一堆废铁。

基础软件如同珠算中的“口诀”,是计算机的“灵魂”。计算机硬件的任何新技术都必须通过基础软件来展现,计算机应用的任何新发展也必须通过基础软件来支撑。基础软件水平在一定程度上直接决定着超级计算机的发展速度。

正因为这样,以美国为代表的计算机大国竭力抢占世界系统软件技术高峰和市场,并在出口系统软件产品中大做手脚。我国曾在一段时间里,从国家机关到军事部门,其计算机均应用外国的微软系统软件,给国家安全特别是国防和军事安全带来极大隐患。

为让中国人用上放心的国产软件,早在20世纪70年代末,计算机学院就开始了巨型机操作系统研制,是国内最早涉足这一技术领域的科研单位。20多年来,学校基础软件创新团队,先后开发出“银河-Ⅰ”“银河-Ⅱ”“银河-Ⅲ”等系列超级计算机系列操作系统、编译系统等基础软件,多次获得国家和部委级科技进步一、二等奖,为推进我国巨型机事业迅速发展作出重大贡献。

我国为实现信息产业从“大国”到“强国”的历史性跨越,在近年制定的中长期发展规划中,专门设立了“核高基”重大专项(核心电子器件、高端通用芯片和基础软件),作为16个重大专项之首,打算通过三个5年计划的时间,解决我国在核心器件、高端芯片、基础软件,尤其是宇航级器件、操作系统软件和CPU芯片等信息技术核心领域对国外的高度依赖,改变我国在这些核心技术领域受制于人的局面。

廖湘科带领基础软件创新团队,紧紧抓住这一重大机遇,在“211工程”“985工程”二期及国家“十五”“863”软件重大专项支持下,开始了“银河麒麟”操作系统技术攻关。研制人员瞄准国际操作系统的技术前沿,合理规划,精心组织,着力掌握与系统软件相关的前沿性、前瞻性的关键技术,通过数年顽强拼搏、艰苦摸索,通过技术创新突破了一系列核心技术,研制成功具有完全自主创新知识产权的“银河麒麟”操作系统,并建立“银河麒麟”国产服务器操作系统产品化、市场推广和服务支持三大体系。该操作系统,不仅能与国际主流操作系统兼容,而且可支持多种微处理器和多种体系结构的计算机,并在高安全、高可用、高性能和网络支持方面具有核心竞争力,达到国内领先水平、跻身世界先进行列,成功运用于国家和国防重要部门。

国家“核高基”重大专项计划实施后,该创新团队凭着雄厚的实力,成为“核高基”重大专项的主要承担单位,牵头或与产业界合作承担了“军用操作系统”“国产操作系统研发及其产业化”等重点课题,成为国家基础软件自主创新和研发的主力团队。

争当网络技术创新“国家队”

1984年前后,卢锡城、窦文华、龚正虎等网络技术专家从美国学成归来,组建了网络技术研制团队,拉开了我国网络技术自主创新序幕,先后研制成功与“银河-Ⅱ”、“银河-Ⅲ”超级计算机相关的网络系统软硬件,为我国巨型机事业发展添上新技术的翅膀。

1999年,国家开始实施发展互联网战略计划,网络技术研制团队抓住这一重大契机,在“211工程”“985工程”以及国家863重点项目和军队“九五”“十五”“十一五”重点建设项目支持下,坚持自主创新和集成创新相结合,形成了基础研究、预先研究、型号工程协调发展的科研布局,连克网络技术雄关险隘。

核心路由器是网络系统的核心技术。假如把网络系统喻作人身上纵横交错、密密麻麻的血管,核心路由器就是它的心脏。

2001年3月,网络技术研制团队研制成功我国第一台核心路由器——“银河玉衡9108”。工程院副院长邬贺铨院士为主任委员的鉴定委员会认为:“银河玉衡9108”是国内第一台拥有软硬全部自主设计的高端线速核心路由器,整体技术国内领先,达到国际先进水平,是我国高科技领域取得的又一重大成果。

2004年3月,他们成功研制出我国新一代互联网高性能路由器——IPv6路由器。鉴定委员会一致认为:这是国内第一台交换能力超过每秒千亿位的IPv6路由器,拥有自主知识产权,在路由器并行体系结构、全局流控机制、IPv6线速转发、多等级服务质量控制和基于PKI的组网安全认证等关键技术上取得突破和创新,整体技术属国内领先,达到国际先进水平。标志着我国在IPv6高性能网络设备研制技术上取得了新的突破,对加速我国高速网络建设、增强我国网络信息安全,将产生重要推动作用。2006年,该项目获得国家科技进步二等奖。

2007年后,他们陆续推出我国第一套2.5G、10G、40G等不同需求层次的网络安全监管系列设备,并在国家和军队相关部门得到广泛应用,为打击网络犯罪、维稳反恐、净化互联网空间等提供了重要技术手段,发挥了重要作用。

他们在国家自然科学基金支持下完成的重点课题“下一代网络体系结构模型及超高速网络交换路由研究”,又是一项我国网络技术发展史的标志性成果。

以方滨兴院士为组长的验收专家组认为:“该课题在下一代互联网体系结构、高速网络交换方法与算法、大容量路由表组织管理和查询、网络处理器体系结构技术、10Gbps高速网络接口线性转发机理及实现等方面取得了重要的创新性成果和显著的进展。”

这一系列高水平成果,说明中国网络工程技术已完全摆脱了受制于人的被动局面,亦标志着计算机学院网络技术创新团队已经成为我国网络技术创新“国家队”。(于冬阳)(原标题:为我军现代化插上超算翅膀——国防科技大学计算机学院聚焦战斗力抢占科技制高点记事)

 
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