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中国“打破玻璃房”的历程:监视以防核心技术泄密

一段“打破玻璃屋”的旅程。

透明的玻璃房间里,有一台从美国买来的超级计算机。 房间钥匙由美国人员保管。 中国科学家只有获得授权才能进入玻璃室,并且必须在美国的监督下操作机器。

超级计算机计算的内容必须得到美国的批准。 手术完成后,美国将立即封锁玻璃房。 监控日志也定期提交给美国政府审查。

这是中国超级计算机界经常提及的真实过去。

改革开放前后,中国缺乏自行研制超级计算机的技术。 为了石油勘探,中国石油工业部花费大量资金购买了IBM超级计算机。

钱可以买到设备,但买不到技术。 20世纪80年代,西方国家对中国实施包括超级计算机在内的高科技封锁。

美国虽然向中国出售超级计算机,但仍对其进行严格监控,防止核心技术泄露,因此有“玻璃屋”的故事。

中国科学院院士、国防科技大学原校长杨学军谈到这段历史时说:“这是中国科研人员心中永远的痛……就像农民自己没有食物,母亲没有牛奶喂养孩子。” 后来,中国大力支持自主研发超级计算机,以国防科技大学为骨干,杨学军成为超级计算机“天河一号”的总设计师。

顾名思义,超级计算机(也称为超级计算机和高性能计算机)可以完成普通个人计算机无法完成的事情。 个人计算机通常拥有四核、六核或八核处理器,而超级计算机则聚集数千万甚至更多的处理器来处理大量数据并进行高速运算。

众所周知,“两弹一星”是国家硬实力的体现,而超级计算机也是国家“两弹一星”级别最重要的装备。

从军事模拟核试验到民用天气预报,远至太空探索,近至人类基因测序,都存在着巨大的计算门槛。 如果想要更快的得到计算结果,就只能依靠超级计算机了。

美国是世界上最早投资这一领域的国家。 自20世纪50年代末以来,它一直在开发超级计算机以满足国防和军事需求。 在20世纪60年代和1970年代,全球超级计算机产业基本上由两家美国公司主导。 日本也同样慷慨,自 20 世纪 80 年代以来就大规模资助超级计算机研究项目。

自1993年起,美国田纳西大学、德国曼海姆大学、美国能源部伯克利国家实验室每年两次发布世界超级计算机500强排名()。 发布时间为 6 月和 11 月一次。

排名基于基准程序测试值。 1993年6月至2010年11月,第一名由美国和日本交替占据。

▲(表自)

中国国家级超级计算机自主研究始于1978年,在当年3月的全国科学技术大会上,邓小平提出“中国没有超级计算机就不能实现四个现代化”,从此开启了超级计算机自主研发的历史进程。开发了超级计算机。

40年来,国防科技大学的“银河”、“天河”系列,曙光的“曙光”系列,联想的“森腾”系列,无锡江南计算技术研究所的“神威”系列,相继出现,使得中国超级计算机产业从贫瘠走向与美国、日本平起平坐。

从零开始“争取成功的机会”

“我正好60岁了,即使冒着生命危险,我也一定会建造出我们国家的巨型计算机。”

1978年,国防科技大学接受了自行研制超级计算机的任务。 时任该校计算机研究所所长慈云贵下了军令状,“每秒一亿次,不能少(运算速度每秒一亿次)”,该项目一天也不能耽误。 6年,预算不会超出一分钱。”

慈云贵可谓中国计算机界的一代宗师。 从电子管计算机到晶体管计算机再到集成电路计算机,他是中国计算机每一次升级的主要推动者。

但超级计算机对他来说仍然是一座极其难以攀登的山峰。 1978年,慈云贵及其团队研制的通用计算机系统151-4的计算速度仅为每秒200万次,与每秒1亿次的超级计算机相比还有很大差距。

接到任务后,慈云贵带领团队组建了十多个攻关小组,“吃在工厂,睡在机房”。

在研发过程中自然会频繁出现问题。 慈云贵否决了团队花了几个月时间制定的方案,并带领大家制定了更先进的总体方案。

冷液技术研发遇到困难,不得已才采用易于操作的冷风技术。 为了确保机器的稳定性和可靠性,团队必须对25,000根电线、120,000个触点和超过200万个焊点进行一一检查。

最终,慈云贵团队创造性地提出了“双向量阵列”结构,极大地提高了机器的运算速度。 资金不仅没有超额,而且还提前一年完成了开发任务。

曾指导“两弹一星”研究的国防部长张爱萍将这台超级计算机命名为“银河”。

▲(-I,新华社图片)

当时的一位前政协副主席在听完慈云贵团队的汇报后表示:“1930年红军攻打长沙是一个壮举,50年后你们研制成功的银河-我在长沙的超级计算机是一个更成功的壮举。”

-I的诞生打破了西方强国对超级计算机的技术封锁,使中国成为继美国、日本之后世界上第三个独立研制超级计算机的国家。 这台电脑还得到了一个绰号:“成功机”。国家意志

1983年,除了-I的研制成功之外,还发生了两件事对中国超级计算机界产生了深远的影响。

一件是小事:南京通信工程学院本科生杨学军报考了国防科技大学研究生,致力于超级计算机研究。

他的毕业论文是关于矢量超级计算机编译技术的。 慈云贵看完后,在纸旁边写道:这个人必须想办法留下来。

后来,杨学军毕业后留校,参与了-II的研发。 -III项目于1994年启动,年仅31岁的杨学军被任命为总设计师。

后来,他成为天河一号的总设计师,帮助中国首次成为最快的超级计算机。

▲(左二为杨学军)

另一件影响全球格局的重大事件:上任三年的美国总统里根提出“战略防御倡议”(SDI,又称“星球大战”计划)。

“星球大战”计划是冷战的产物。 里根政府宣布将改变相互毁灭的核平衡战略(MAD),转而使用天基和陆基系统来防御核武器攻击。

▲(1983年里根总统在电视上发表星球大战演讲)

当时中国专家普遍认为,“星球大战”表面上是针对苏联的防御计划,但实际上另有目的。

“(美国)正试图通过这个计划的实施,促进国防科技的发展,进而带动高新技术和国民经济的全面振兴,确保美国在高科技领域的领先地位。”科技领域,最终实现抢占21世纪战略制高点的目标。” 航天部科技委副主任杨家墀表示。

“星球大战”计划启动后,许多国家和联盟跟进并制定了相应的政策:苏联和东欧集团制定了《科学技术进步综合纲要》,日本提出了《复兴基本方针》未来十年科技发展”、西欧17国联合签署“尤里卡计划”…

在此背景下,杨家墀等四位科学家致信邓小平等中央领导人,建议“跟踪世界战略高技术发展动态”。

邓小平对这一建议表示支持,《高技术研究发展规划》很快发布。 由于四位科学家上书和邓小平同志批准都是在1986年3月,所以该计划又被称为“863计划”。

在863计划中,“智能计算机”被列为单独的学科项目(即306学科)。

“国家智能计算机研究发展中心”(以下简称智能中心)应运而生,“中国科学院计算技术研究所”(以下简称中国科学院计算技术研究所)科学)被选定为支持单位。

计算技术研究所成立于1956年,是中国科学院的王牌团队。 在这里,中国第一台通用数字电子计算机和第一颗通用CPU芯片诞生。 计算所还完成了成功发射太空的“两弹一星”的数据处理工作。

与国防科技大学一样,中国科学院计算技术研究所后来成为中国超级计算产业的中流砥柱。 独立于中科院计算技术研究所的曙光一直是863工程306主题的主力军。

自主研发神腾系列超级计算机的联想,1984年成立时也是计算所成立时的团队成员。联想最早的名字是“计算所新技术开发公司”,其创始人柳传志一直在做在计算所从事研究13年。 就连参与神威系列开发的国家并行计算机工程技术研究中心,也是得到了中科院计算技术研究所的支持。

1990年,情报中心正式成立。 成立之初,就面临着发展战略选择的难题。

20世纪80年代,世界见证了人工智能热潮的第二次高潮。 当时卡内基梅隆大学设计的专家系统每年可以为商业公司节省4000万美元,引发多个国家和企业的跟进。

新的算法(专家系统)对计算能力提出了新的要求。 在计算机专家由部一弘的领导下,日本于1982年宣布了“第五代计算机系统”的十年研究计划,希望开发出划时代的超级计算机,让机器能够与人对话、翻译语言、解释图像,以及像人类一样的理性。

▲(日本第五代计算机系统概念图)

“当时,世界正处于‘人工智能热潮’的高潮,日本的‘五代机’也广受好评。在这样的背景下,中国顺势而为、顺势而为,似乎顺理成章、无可非议。” “第五代机器”之路。” 306课题专家组组长、中国工程院院士王成说。

事实上,306主题的全称是“智能计算机”,源于效仿日本“五代机”的战略。

但在实施过程中,306课题专家组发现,日本“五代机”的主要目标是实现自然语言翻译,不太适合当时中国的国情。 同期美国的研发重点是个人电脑、高速工作站、超级计算机和互联网,更具借鉴意义。

专家组决定改变技术路线,负责该课题的情报中心将研究方向从“智能计算机”调整为“高性能并行计算机系统”。

这个决定很快被证明是正确的。 专家系统存在的问题逐渐暴露:应用领域窄、知识获取困难、维护成本高……日本的“五代机”计划也失败了,人工智能进入第二个低谷。

计算的“黎明”

306主题策略转变的决定催生了黎明系列。 在曙光一号的研制过程中,时任情报中心主任李国杰主导了新的技术路线和科研模式。

自20世纪80年代以来,李国杰一直从事计算机并行处理研究。 1981年出国攻读博士学位,师从美国计算机科学权威华云生教授。 1986年底回国后,一直在中国科学院计算技术研究所工作。

曾在国外留学的李国杰看到了中国传统的超级计算机研发方式的弊端。

长期以来,中国的计算机研发都是在封闭条件下进行的,采用分立元件作为主板,从零开始。 开发周期短则5-6年,长则7-8年。 往往机器开发出来后就已经落后了,很难被市场接受。

为了提高我国超级计算机的产品化和商业化水平,李国杰大胆开辟了一条新道路。 从技术上来说,他是中国第一个利用大规模集成电路研制并行计算机的人。 在计算机系统方面,他要求团队基于UNIX源代码自行设计并行操作系统SNIX。

在科研模式上,李国杰派出6人团队前往美国硅谷。 他把这种“借树开花、借钟生子”的方法称为“洋队跳”——利用国外协作的综合环境,加速并行计算机的发展。

▲(中科曙光超级计算机研发现场,图片来自《科学新闻》)

1993年10月,黎明一号超级计算机诞生,峰值运算速度达到每秒6.4亿次,并突破了采用全对称共享存储多处理结构、操作系统并行化等多项技术核。

而且曙光一号投资低(直接研发经费仅200万元)、研制周期短(从正式研制到成果鉴定仅一年半)、产品化程度高,在与中国过去的超级计算机发展形成鲜明对比。 1994年,曙光一号被列入政府工作报告。

1995年,智能中心推出曙光1000,实现了多项第一:第一台自主研发的大规模并行处理器结构计算机、第一台实际运算速度超过每秒10亿次大关的超级计算机。 ,首次独立进入市场。

过去几十年,我国超级计算机的研发和生产都是为了满足特殊部门的需要,通过行政手段来推广和使用用户。 曙光1000的开发和推广一开始也是政府行为。

不过,在商业化之后,曙光天朝系列(包括曙光1000和曙光1000A)逐渐走上了商业销售的道路。

1997年,曙光天潮1000A落户辽河油田。 这是中国超级计算机首次自主进入市场,实现了国产超级计算机商业化的突破,打破了进口产品对中国超级计算机市场的垄断。

开头提到的“玻璃屋”故事,被曙光用1000A画上了句号。

▲(曙光1000大规模并行计算机系统)

为了更好地适应市场需求,中科曙光于1996年独立,成立了有限公司。 李国杰担任曙光公司董事长、总经理,开启工业化征程。

在为新公司选址时,李国杰要求远离中科院计算技术研究所,以“断掉”自己的依赖心理。 于是曙光从计算所搬到了清华大学旁边的中关村水磨西街的一个四合院。

曙光独立时,中国的互联网刚刚起步,但李国杰敏锐地意识到,互联网海量的信息服务和数据处理需求需要超级服务器来满足。

通常,超级计算机多用于科学和工程计算,追求最高的计算速度。 超级服务器是一种更通用的高端计算机。 除了科学计算之外,更多地用于事务处理和网络服务。

因此,超级服务器成为中科曙光的重要发展方向。

1998年、1999年,曙光2000-I、曙光2000-II超级服务器相继推出,在国内率先研制成功大型UNIX集群系统。

其中,曙光2000-II的峰值速度超过1100亿次。 资料显示,美国计算机界权威学者参观曙光2000-II后,向美国政府写了一份报告,指出中国高性能计算机发展已经从落后走向了非常接近西方的水平。

2000年,曙光3000超级服务器发布,峰值速度达到每秒4032亿次操作。 在研发初期,这台超级服务器就被北京华大基因研究中心“包租”,开创了中国超级计算机史上的先河。

▲(曙光3000超级服务器)

在曙光系列频繁升级的同时,863工程在计算机系统研发方面的内涵也发生了变化。

1999年至2000年,863工程306实施重大项目“国家高性能计算环境”。 这意味着我们不仅要研制超级计算机,还要利用研制出来的机器建立高性能计算环境,更好地支持高性能计算应用。

每秒运行4000亿次的曙光3000就是这个项目的成果之一。 此外,该项目还建立了5个高性能计算中心,构建国家级高性能计算环境。

2002年,“十一五”863计划启动了“高性能计算机及核心软件”重大专项。 其主要任务是研制每秒4万亿次运算的超级计算机以及研究和突破网格关键技术。

863计划的这两项新动作体现了我国超级计算机建设理念的转变:过去是弥补超级计算机开发技术的不足,现在更加注重超级计算机资源的整合和应用。

相应地,超级计算机的发展模式也在发生变化。 从“十五”863计划开始,超级计算机的研发打破了过去委托一家公司承担研发的做法,引入了竞争机制。 例如,开发4 超级计算机的任务落在了联想和中科曙光的肩上。

联想第一台超级计算机是深腾1800,于2002年研制成功,峰值运算速度可达1万亿次运算。 2003年,联想率先研发成功深腾6800,峰值速度达到5.3万亿次,在2003年11月排行榜上排名第14位。

▲(联想深腾6800超级计算机)

2004年,曙光4000A也成功诞生,峰值速度达到11.2万亿次。 在2004年6月的排名中,曙光4000A排名第十。 这是863项目研制的超级计算机首次进入世界前十。

▲(曙光4000A)

中国超级计算的里程碑

2008年对于中国和中国超级计算机界来说是非常重要的一年。

今年,北京举办了奥运会。 开幕式上,当李宁脚踩“祥云”在“空中跑道”上奔跑时,一幅中国式的画卷沿着“空中跑道”展开。

这幅卷轴的数字图像经过曙光5000A计算了233万亿次。

这台被称为“魔方”的超级计算机是当时美国以外世界上最快的高性能计算机系统。 但“魔方”只是“十一五”863计划的阶段性成果。

2006年,“十一五”863计划设立了“高性能计算机与网格服务环境”重大专项,将发展千万亿次高性能计算机列为主要目标之一。

“超级计算机的发展规律是,超级计算机的性能每10年就会提升1000倍,2000年国际先进水平是1万亿倍,到2010年肯定会达到千万亿次。要占领制高点,我们必须尽快开始开发千万亿级计算机。子计算机。” 上述天河一号总设计师杨学军说。

从2004年到2006年,中国最快的超级计算机曙光4000A的运行速度仅为11.2 。 跃升到千万亿次超级计算机是不切实际的。 因此,千万亿次超级计算机的开发是一个两步的过程。

第一阶段超级人类科技,中科曙光和联想分别研究了百亿亿次超级计算机,积累了千万亿次超级计算机的经验。 第二阶段,中科院计算所与中科曙光、国防科技大学与浪潮、国家并行计算中心、无锡江南计算所分别研发千万亿次超级计算机。

2008年,233 的曙光5000A和157 的深腾7000相继推出。 前者在中国排名第10,后者在中国排名第19。

曙光5000A和深腾7000的诞生,意味着中国成为世界上第二个有能力研制百亿亿次超级计算机的国家。

但美国的步伐仍然更快。 IBM于2008年上半年推出了 ,早于杨学军预测的2010年。

第二阶段工作于2009年至2010年取得成果。 国防科技大学与浪潮联合研发的千万亿次超级计算机分两个阶段研发。 2009年,天河一号诞生,峰值运行速度为1,206 。

2010年,天河一号A二期研制成功。 在11月份的排名中,天河一号A以每秒4700万亿次运算的峰值运算速度和每秒2566万亿次运算的持续运算速度超越了美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”。

这是具有里程碑意义的事件——中国自主研发的超级计算机首次跻身超级计算机排行榜第一。

天河一号还在国际上推出了全新的超级计算机架构。

构建超级计算机的传统方法是集成更多CPU,但增加CPU数量受到功耗、占地面积和系统可靠性的限制。

“用传统方法建造一台百亿亿级超级计算机需要占地13000平方米,接近两个足球场大小;需要320兆瓦电力,相当于一个大中城市的用电量”。 。

天河一号总设计师杨学军没有遵循传统方法,而是率先采用了CPU+GPU异构融合架构,首次从工程实现上证明了GPU可以用于超级计算机。

由于这种结构的低能耗、低成本、高集成度,很快在世界范围内掀起了异构超级计算机的浪潮。

中科院计算技术研究所与中科曙光合作开发的曙光6000(星云)也不甘落后。 该超级计算机的峰值性能达到了1,271 ,在2010年11月排名第三,仅次于天河一号A和捷豹。

无锡江南计算技术研究院研发的神威蓝光也达到了1100万亿次运算的峰值运算速度。

三台千万亿级超级计算机中,神威蓝光虽然运算速度较慢,但​​却是唯一一台完全采用中国自主研发的CPU“神威”的机器。

自主研发的CPU可以支持领先速度的超级计算机,近年来这一点的重要性日益凸显。

“核心”战争,不变的法则

2019年6月,继中兴、华为之后,美国特朗普政府又针对中国超级计算领域的5家机构实施了制裁。

美国商务部工业与安全局宣布,将中科曙光、成都海光集成电路设计公司、成都海光微电子技术公司、天津海光信息技术公司和无锡江南计算技术研究院列入实体名单。

海光三家公司都是中科曙光的子公司,这意味着此次制裁的对象本质上只有两个:中科曙光和无锡江南计算技术研究院。

事实上,早在2015年,国防科技大学、国家超算长沙中心、国家超算广州中心、国家超算天津中心就被列入实体清单。

从天河系列(国防科技大学)到曙光系列(中科曙光)、神威系列(江南计算所),中国三大超级计算机系列均受到美国制裁。 制裁旨在掐断中国超级计算机的“脖子”,封锁最关键的芯片。

近年来,中美在超级计算机领域的竞争日趋激烈。 自2013年6月以来,天河二号以549 的峰值性能连续三年霸占该榜单。 2016年6月,神威·太湖之光接管天河二号,峰值性能达到每秒12.54亿次运算。 直到2018年6月,美国能源部宣布已达到18.77亿次峰值,重新夺回榜首。

▲(神威·太湖之光,新华社图片)

2015年国防科技大学被美国列入实体名单后,原本采用英特尔至强处理器的天河二号升级计划立即被中断。

神威·太湖之光却没有这样的担忧。 “国家希望采取另一种技术路线来研发新型超级计算机。新型超级计算机布局一开始的想法就是打造自主可控的软硬件、国产架构。” 国家超级计算无锡中心主任、清华大学教授杨光文表示。

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