曾六次蝉联世界最快的超级计算机：天河二号

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发展历程^[1]

“天河二号”由国家科技部、广东省人民政府、广州市人民政府共同出资建设，由280人历时两年多研制完成，耗资约1亿美元。

2009年，中国首台千万亿次计算机“天河一号”研制成功，运行“核高基”专项支持研制的银河麒麟操作系统，名列当年的国际超级计算机TOP 500排行榜世界第五位、亚洲第一位的排名，并使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千兆次超级计算机的国家。

2010年11月， “天河一号”超级计算机首次登顶全球超级计算机500强排行榜，标志着中国在高性能计算领域取得重大突破。

从2010年11月14日天河一号排名世界第一到2013年6月17日天河二号再登世界超算之巅，从天河一号4.7千兆次到天河二号5.49×1016次，从超级计算机由千兆(10×1015)次级迈入万兆(10×1016)次级计算速度，这是国防科技大学天河团队再次创造的“中国速度”。

2013年下半年，天河二号超级计算机在国家超级计算广州中心已正式投入运行，为120多家用户提供了300多项典型应用计算。同时，为用户培训了一批超算应用技术人才。

2015年5月，由北京师范大学、国防科技大学、加拿大理论天体物理研究所、北京大学、中科院高能物理研究所联合组成的宇宙中微子数值模拟团队，经过一系列技术攻关，在“天河二号”上成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后约137亿年的漫长演化进程。

2018年9月11日获悉，国防科技大学吴俊杰团队与上海交通大学金贤敏合作，在国际上最先开启了称霸标准的研究，被称为量子霸权。

2019年11月4日，国防科技大学计算机学院吴俊杰带领的QUANTA团队，联合信息工程大学等国内外科研机构，提出了量子计算模拟的新算法。该算法在“天河二号”超级计算机上的测试性能达到国际领先水平，谷歌的工作也引用了这项结果的预印版论文。当地时间4日，国际期刊《物理评论快报》正式在线发表了该成果。

技术参数

硬件层面

型号为天河二号型号为TH-IVB-FEP

处理器

16,000个运算节点，每节点配备两颗Xeon E5 12核心的中央处理器、三个Xeon Phi 57核心的协处理器（运算加速卡）。累计32,000颗Xeon E5主处理器和48,000个Xeon Phi协处理器，共312万个计算核心。中央处理器为英特尔提供的，运作时钟频率为2.2GHz的Xeon E5-2692 V212核心处理器，基于英特尔Ivy Bridge微架构（Ivy Bridge-EX核心），采用22纳米制程，峰值性能0.2112TFLOPS。运算加速上，使用基于英特尔集成众核架构的Xeon Phi 31S1P协处理器，运行时钟为1.1GHz，每个使用61个核心中的57个（因为使用61个会存在运算周期协调问题），每核心籍由特殊的超线程技术能运作4个线程，产生峰值性能为1.003TFLOPS。

前端处理器

计算节点前端处理器为4096颗FT-1500 16核心SPARC V9架构的处理器，40纳米制程，运作时钟频率1.8GHz，热设计功耗65瓦，峰值性能144GFLOPS。

存储

内存每个节点拥有64GB主存，而每个Xeon Phi协处理器板载8GB内存，故每节点共88GB内存，整体总计内存1.408PB。外存12.4PB容量的硬盘阵列。

主架

主板、机架与机柜均由浪潮集团制造，共有125个机柜，每个机柜容纳4个机架，每个机架容纳16块主板，每个主板设置有两个计算节点。每个机柜还装有负载指示灯，根据机柜内主机的运算负载变更发光二极管的发光颜色。每块主板上分为APU模块和CPM模块两部分，APU部分承载5块Xeon Phi，CPM部分承载1块Xeon Phi+4颗Xeon E5。APU模块和CPM模块之间以CPU内部提供的PCI-E 3.0 16x接口进行连接，但实际由于Xeon Phi的硬件限制，仅支持至PCI-E 2.0 16x，单通道数据传输速率为10Gbps。

连接

使用光电混合传输技术（Optoelectronics Hybrid Transport Technology），使用自制的TH Express-2主干拓扑结构网络连接，以13个大型路由器通过576个连接端口以光电传输介质与各个运算节点互联，控制器名为NRC，使用90纳米制程，单个控制器的数据吞吐量2.56Tbps，终端网络接口使用名为NIC的控制器，以PCI-E 2.0接口链接，数据传送速率6.36GB/s。

软件层面

操作系统

麒麟操作系统、基于SLURM（Simple Linux Utility for Resource Management，资源管理用单一Linux公用程序）的全局资源管理。

Ubuntu Linux。（Ubuntu OpenStack运行在256个高性能节点上，而且在接下来的数月将会增长至超过6400个节点。OpenStack和Ubuntu的编制工具Juju都将运行在天河二号上，使国防科技大学的合作伙伴和联盟机构能够快速部署和管理高性能云环境。

能耗

整机功耗17,808千瓦，在搭载水冷散热系统以后，功耗将达到24兆瓦，无论水冷系统的搭载与否，都是超级计算机TOP500里功耗最大的。以6月17日公布的数据推算，每瓦性能为1.901GFLOPS，仍不及泰坦的每瓦2.143GFLOPS和IBM红杉每瓦2.177GFLOPS的成绩，但比"京"的每瓦0.830GFLOPS每和天河一号每瓦仅0.668GFLOPS都要高不少。

所获奖项

荣获Top500榜单奖项

排名第一：2010年，中国国防科学技术大学研制的“天河一号”曾在第三十六届超级计算机TOP500榜单上名列第一，2011年时排名第二，2012年排名已下降至第五，“天河二号”又重返冠军领奖台。
二连冠：2013年，在德国莱比锡举办的2013年度全球超级计算机技术大会，负责调查有关全球各国研发大型超级计算机排行情况的国际大型超级计算机TOP 500组织，公布了最新全球超级计算机TOP 500强排行榜榜单；在本次大会上由中国政府国家科技部与中国国防科学技术大学共同研制的名为“天河二号（”又称银河2号）的大型超级计算机以每秒3.386×1016次的浮点运算速度成为全球最快的超级计算机。
三连冠：2014年6月，由国防科技大学研制并落户国家超级计算广州中心的天河二号超级计算机，23日再次荣登全球超级计算机500强排行榜榜首，获得世界超算“三连冠”。天河二号超级计算机是国防科技大学承担的国家“863”计划和“核高基”国家科技重大专项项目。
四连冠：2014年11月，在美国新奥尔良市召开的世界超级计算机大会上，天河二号在国际TOP500组织首次正式发布的超级计算机高性能测试排行榜上位居世界第一。此前，由该组织发布的第44届世界超级计算机500强排行榜中，天河二号以峰值计算速度达每秒5.49×1016次、持续计算速度达每秒3.39×1016次位居榜首，获得“四连冠”。
五连冠：2015年7月13日，国际TOP500组织在德国举行了2015年国际超级计算机大会，并在大会上发布全球超级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以每秒3.386×1016次的浮点运算速度第五次蝉联冠军，获得“五连冠”。
六连冠：2015年10月16日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国公布，“天河二号”超级计算机以每秒3.386×1016次连续第六度称雄。
蝉联亚军：2016年11月，新一期全球超级计算机500强（TOP500）榜单，“天河二号”依然以每秒3.386×1016次的浮点运算速度排名第二。 2017年6月19日，全球超级计算机500强榜单公布，“天河二号”以每秒3.39×1016次的浮点运算速度排名第二｡
第四名：2019年11月18日，全球超级计算机500强榜单发布，中国超算“天河二号”排名第四位。
第五名：2020年6月23日公布的2020年6月全球超级计算机Top500榜单，由中国国防科技大学（NUDT）开发的天河2A排名第五。

荣获国内奖项：2018年，曾获湖南省科技进步奖特等奖。^[2]

应用案例

鼻咽癌全基因组关联研究

中山大学肿瘤防治中心贾卫华教授牵头，联合香港大学、南京医科大学、新疆医科大学、苏州大学及中山市人民医院等多个合作者为了建立更为完整的遗传易感图谱，包括了来自鼻咽癌高、低发区的多个研究人群，利用多中心丰富的鼻咽癌样本资源、基因数据库及队列随访系统，基于“天河二号”丰富的存储资源和强大的计算能力开展了迄今为止全球规模最大的鼻咽癌全基因组关联研究，开发了新一代鼻咽癌发病风险预测芯片及软件【专利号：202011501223.8】。^[3]

城市降温

香港科技大学杨嘉川教授带领的城市气候课题组，基于“天河二号“进行了区域尺度，城市微观尺度等系列数值模拟分析。^[4]

四价嵌合型新冠疫苗开发

中山大学肿瘤防治中心曾木圣教授课题组与广州医科大学赵金存教授课题组合作，依托“天河二号”研究开发了一种四价嵌合纳米颗粒疫苗同时展示四种新冠刺突蛋白，实验证明该疫苗能够在动物模型中有效保护动物不受不同毒株感染，该研究为广谱新冠疫苗开发提供了新思路，相关研究成果于5月份在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表。^[5]

航天计算及湍流模拟

依托“天河二号”，统一气体波粒方法（UGKWP）计算模拟了类 X-38 外形飞行器在飞行速度为马赫数 10，空气稀薄度为努森数 0.001 时的表面温度、热流云图及速度流线。由上图可见，对于高超声速飞行器在近空间的模拟计算，统一气体波粒方法(UGKWP)具有良好的实战性和稳定性，从而进一步为我国的太空飞船起飞及再入、姿态调整、外形设计等过程更准确、可靠的数据支持。^[6]

破解新冠代谢并发症

国家超算广州中心卢宇彤教授团队联合中山大学附属第一医院、中山大学孙逸仙纪念医院、中山大学中山医学院等团队，依托天河二号利用虚拟筛选技术结合动物试验，创新性地发现ACE2通路下调是介导新冠肺炎导致的糖脂代谢障碍和血管损伤的关键机制，并首次鉴定出ACE2的酶活性激动剂，为新冠肺炎诱发的代谢障碍和血管损伤并发症防治提供了新思路，具有临床转化前景。^[7]

研发基于耳机的肺功能测试系统

香港研究团队通过广州超算南沙分中心提供的超算服务，借助“天河二号”强大的计算能力进行数据分析，这大大缩短了迭代设计模型结构的时间成本，使研究团队在一个月的时间内完成了初步的模型设计，也验证了想法的可行性。^[8]

开发燃料电池新材料

近年来，香港科技大学Francesco CIUCCI教授研究团队依托“天河二号”一直致力于燃料电池阴极材料的设计，着重探究阴极材料的微观工作机制。近期，团队最新研究成果在国际催化剂领域的顶级期刊《Nature Catalysis》上成功发表，为开发设计新一代燃料电池奠定了坚实的理论和研究基础，向实现商业可行的质子陶瓷燃料电池迈出了重要的一步。^[9]

关于国防科技大学

“天河二号”是由国防科学技术大学研制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49×1016次、持续计算速度每秒3.39×1016次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为2013年全球最快超级计算机。

学校概况

中国人民解放军国防科技大学（National University of Defense Technology），简称国防科技大学，位于湖南省长沙市，是直属中国共产党中央军事委员会领导的军队综合性大学，也一直是国家和军队重点建设的院校。是第一个五年计划国家156项重点建设工程之一，是中共中央1959年确定的全国20所重点大学之一，是国务院首批批准有权授予硕士、博士学位的院校，是全国首批试办研究生院的院校，是首批进入国家“211工程”建设计划的院校，是军队唯一进入国家“985工程”建设行列的院校，是纳入国家“双一流”建设支持的院校。

科研成果

国防科技大学取得了以“天河”系列超级计算机系统、“北斗”卫星导航定位系统关键技术、“天拓”系列微纳卫星、激光陀螺、超精加工、磁浮列车等为代表的一大批自主创新成果，为中国“两弹一星”和载人航天等重大工程作出重要贡献。学校研制的天河二号超级计算机系统连续六次摘得世界超算桂冠。

师资团队

据2023年4月学校官网显示，学校有两院院士17人，国家杰出青年科学基金获得者18人，百千万人才工程国家级人选35人，国家教学名师、全国全军优秀教师152人，军队杰出专业技术人才奖获得者27人，军队高层次科技创新人才工程人选152人。有全国创新争先奖奖牌表彰团队1个、全国杰出专业技术人才先进集体2个、国家自然科学基金委创新研究群体2个、国家级教学团队8个、国家级创新团队10个。

参考资料

【1】天河二号超级计算机
【2】“天河二号”获湖南科技进步奖特等奖
【3】新突破！天河二号支撑全球最大规模鼻咽癌全基因组关联研究
【4】热岛求生拒绝烤熟！天河二号助力香港团队探寻未来城市降温路径
【5】“天河二号”助力四价嵌合型新冠疫苗开发，对多种突变株同时有效
【6】云顶之上，天河二号助力航天计算及湍流模拟
【7】【关注】新发现！天河二号破解新冠代谢并发症难题
【8】耳机“听”肺？天河二号助力香港团队研发基于耳机的肺功能测试系统
【9】景派资讯丨“天河二号”助力港科大研究团队开发燃料电池新材料