天河一号

“天河一号”，是由中国国防科学技术大学研制的中国首台千万亿次超级计算机，^[1]适用于大规模科学与工程计算，广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理等。^[2]总设计师为杨学军院士。^[3]

2008年，“天河一号”作为中国高技术研究发展计划（863计划）中的一个重大项目被纳入，按两期工程实施。^[4][3]次年10月29日，“天河一号”超级计算机由国防科技大学研制成功，并在湖南长沙亮相。^[4]2010年10月17日，“天河一号”计算机在国家超级计算天津中心完成安装部署。^[3][5]2010年11月14日，全球超级计算机500强排行榜在美国公布，中国“天河一号”超级计算机以每秒2570万亿次的实测运算速度，成为世界运算最快的超级计算机。^[6]2015年1月9日，“天河一号”获得2014年度国家科技进步奖特等奖。^[7]

“天河一号”由140个机柜组成，每个机柜1.45米宽、1.2米深、2米高，总重量约160吨。其峰值运算速度为每秒4700万亿次，存储容量为两千万亿个字节，满负荷运行的总功耗是4.04兆瓦。^[8]该计算机采用了多阵列可配置协同并行体系结构、高速率扩展互联通信技术等7项关键技术，具有高性能、高能效、高安全、易使用四大特点。^[4]截至2019年底，“天河一号”满负荷运行超过5年。每天满负荷运行8000余个科研计算任务，分别来自中国近30个省、市、自治区的重点科研、企业、政府机构的近6000家用户，包括科技创新团队2000余个，企业3000余家，全面支撑科技创新和产业发展。^[9]

超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。随着中国经济的发展，环境控制、生物医药等领域已经对千万亿次甚至更高性能的计算机提出了现实需求。^[4]超级计算机代表了当代信息技术的最高水平，也是一个国家科技实力的重要标志，是服务于大系统、大工程、大科学的一个必不可少的工具。^[10]

2007年，中国将发展高端信息技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，国防科技大学凭借充足的技术储备和可行的研制方案，成功申报了“千万亿次高效能计算机系统研制”国家“863”计划重大项目。^[7]2008年，“天河一号”作为中国高技术研究发展计划（863计划）中的一个重大项目被纳入，按两期工程实施。^[4][3]2009年，“天河一号”超级计算机一期系统安装完毕，性能测试准备一切就绪。就在这时，芯片市场上市了一款性能更高的新型号GPU，但离任务时间节点只有一个月，更换GPU必须重新拆装机器，整个系统2560多个节点，更换新的芯片后必须对原有软件进行优化。经过3天3夜连续攻关完成了几千块GPU的更换工作。^[11]同年9月，“天河一号”一期系统(TH-1)在长沙研制成功，^[3]为一年后“天河一号”二期系统的冲击顶峰打下了基础。^[11]10月29日，“天河一号”超级计算机成功研制而出，并在湖南长沙亮相，中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。^[4]

2010年夏，“天河一号”二期系统进场，经过半年多的技术攻关，系统安装接近尾声，但由于夏天气温高，光纤地沟温度更是高达40多度，光纤的绝缘胶皮与水泥地面摩擦产生了裂痕，在机房空调尚未安装完成的情况下，施工指挥员邹革新光着膀子带领施工人员在光纤地沟中铺设了一条光滑的“人肉传送带”，最终将15000多根光纤毫发无损的铺设到了光纤地沟中。^[11]8月，“天河一号”二期系统（TH-1A）在国家超级计算天津中心升级完成。^[3]9月1日，“天河一号”的13排计算机柜已全部安装到位，计划从９月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。^[12]10月17日，“天河一号”计算机在国家超级计算天津中心完成安装部署，系统调试结束后面向社会提供超级计算服务。^[3][5]

“天河一号”峰值运算速度为每秒4700万亿次。做个换算对比：“天河一号”运算1小时，相当于中国13亿人同时计算340年以上的时间；“天河一号”运算1天，相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年以上的时间。^[8]

“天河一号”存储容量为两千万亿个字节。做个换算对比：一个汉字平均为两个字节，“天河一号”可在线存储一千万亿个汉字，相当于存储100万汉字的书籍10亿册。^[8]

“天河一号”满负荷运行的总功耗是4.04兆瓦，也就是每小时耗电4040度，24小时满负荷工作耗电接近10万度。这个数字看起来很大，但实际上“天河一号”是一台节能、绿色的超级计算机，对能量的利用率很高。“天河一号”每瓦特能耗可实现每秒635.15百万次浮点运算，这个能效值仅低于目前能效排名世界第一的IBM“蓝色基因”。2010年7月公布的Green500（全球绿色超级计算机前500强）排名榜单中，3台IBM“蓝色基因”并列第一，随后就是“天河一号”。^[8][注1]

“天河一号”具有高安全性的特点，其操作系统软件是国防科技大学自主研制的“麒麟操作系统”，是中国国内安全等级最高的操作系统，是中国国内唯一通过中国公安部B2级认证的操作系统（B2级是最高安全等级）。因此，“天河一号”的安全性有良好保障。用户使用“麒麟操作系统”可定制自己的“私密”工作空间，就如同租用银行的保险箱一样，钥匙和密钥都在用户手上，其他用户甚至系统管理员都不能访问。这样就保证了用户数据和程序的安全性。^[8][注1]

“天河一号”由140个机柜组成，每个机柜1.45米宽、1.2米深、2米高，排成13排，这个方阵占地约700平方米，总重量约160吨。此外，“天河一号”在实现高密度计算方面做得相当好，紧凑、装机密度高、相对占地较少、节约空间，并且采用冷冻水空调密闭风冷散热方案，散热效率高。^[8]

“天河一号”是由中国国防科大计算机学院承担的国家863计划“千万亿次高效能计算机系统研制”课题的重大成果。“天河一号”采用7项关键技术，使得“一加一”的结果尽量接近“二”，从而发挥出机器最大的整体效能。 这7项技术包括：多阵列可配置协同并行体系结构、高速率扩展互联通信技术、高效异构协同计算技术、基于隔离的安全控制技术、虚拟化的网络计算支撑技术、多层次的大规模系统容错技术和系统能耗综合控制技术。^[2][4]

“天河一号”的硬件系统包括计算阵列、加速阵列、服务阵列，以及互连通信子系统、I/O存储子系统和监控诊断子系统等。^[14]

参考资料：^[14]

“天河一号”的软件系统包括操作系统、编译系统、资源与作业管理系统和并行程序开发环境4部分。^[14]

参考资料：^[14]

“天河一号”适用于大规模科学与工程计算。国防科大与天津滨海新区密切合作，将“天河一号”广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报、气候预测、海洋环境数值模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、土木工程设计、基础科学理论计算等方面的国家超级计算天津中心的业务主机，面向社会开放，实现资源共享，为国内外提供超级计算服务，同时带动高科技服务产业和高端信息产业发展，着力打造高新科技服务、产业技术创新、人才聚集培养三个平台，为经济、社会发展提供高科技支撑。^[2]

从事气象研究工作者可以利用天河一号超级计算能力，更快、更精准地分析和预测气候的变化。以“大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）”为代表多个中科院院士领衔的气候变化模拟团队，利用“天河一号”超级计算机对区域、全球气候变化等问题进行了系统分析，取得了许多标志性的有国际影响力的成果，其中最有代表性的是他们利用“天河一号”完成了跨越千年气候变化模拟，并利用自主开发的气候模式向世界气候大会提交了IPCC报告，提升了中国在全球气候变化研究和全球碳减排谈判中的话语权。此外，天津超算中心还与中国气象局气象科学研究院、国家气象局卫星数据中心、清华大学、南开大学等机构合作，利用天河一号这一平台联合研发出天河-雾霾自动化实时预警预报系统，目前该系统正在为华北地区开展高精度（2—3km）空气质量的实时预报，实现提供未来120小时关于PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3、AQI等参数的预报能力。^[15]

石油地震勘探数据处理是油气能源开发行业最重要的手段。海量的地震勘探数据只有通过超级计算机处理，才能更快、更好、更精准地勘探到油气的分布，进而准确地进行油气的开采。以中石油东方物探等为代表的中国物探公司与天津超算中心等机构合作，利用天河一号开发了功能完善、性能高效的地震数据处理软件，并在“天河一号”平台上完成了多项国际领先的复杂地质条件下三维大连片数据（上千乃至上万平方公里）、高密度勘探（数据规模百TB级）大规模数据的处理，让中国油气能源勘探开发处理能力大大增强，有效地提升了中国在这个领域的行业竞争力，实现了中国石油地震勘探数据处理领域技术的成功突围。^[15]

分析人类基因，解读生命奥秘，如今都离不开大数据的计算和处理。天河一号的问世为中国生物医药研发提供了大数据处理平台，利用这一平台，中科院、军事医学科学院、北京生命科学研究所、北京大学、南开大学等单位开展了抗癫痫、艾滋病、癌症等领域研究，取得了一批具有国际先进水平的成果。其中，华大基因天津公司利用天河一号进行了人、动物、植物等大规模群体基因分析和数据储存，不但省去了数百万元的设备投入，而且计算和数据处理速度较以前快了近十倍。利用天河一号他们不但建起了华大基因北方基因数据库，构建了面向产前检查的产业化服务平台，实现了取样—测序—分析—报告的完整产业链，而且还完成了多项高水平的成果，其中一些研究成果发表在国际顶级学术期刊《NATURE》和《SCIENCE》上。^[15]

2009年10月30日，中国高性能计算机TOP100组织的例行会议中，该组织公布了2009年度中国高性能计算机前100强排名，“天河一号”高居榜首。^[16]11月，国际TOP500组织已正式发布世界超级计算机500强排名榜，“天河一号”排名全球第五、亚洲第一。^[17]2010年10月28日，中国高性能计算机TOP100排行榜对外发布，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”荣登榜首。这是“天河一号”继2009年之后再度夺魁。^[6]11月14日，全球超级计算机500强排行榜在美国公布，中国“天河一号”超级计算机以每秒2570万亿次的实测运算速度，成为世界运算最快的超级计算机，这是来自欧美日之外国家的超级计算机首次登上榜首位置，引起多个国家和专家的高度关注。^[6]2010年11月18日，在2009超级计算大会上正式发布的最新TOP500排名前10名中，“天河一号”以其优越性能一跃成为全球第五、亚洲第一。^[17]2012年6月18日，在国际超级电脑组织公布的全球超级电脑500强名单中，“天河一号”排名全球第五。^[18]

2010年11月18日，在2009超级计算大会上正式发布的最新TOP500排名前10名中，除“天河一号”外，均为美国产品。有关专家指出，中国自主研制的“天河一号”此次跻身世界超级计算机5强，表明中国在国际超级计算机领域的地位显著提升，拥有研制千万亿次超级计算机的能力，为中国解决经济、科技等领域一系列重大挑战性问题提供了重要手段，对提升综合国力具有重要战略意义。^[17]

曾访问过上海的特鲁说，中国软件工程师的数量增长让西方相形见绌，他所参观的上海某研究中心有数百名软件工程师一起工作，这令他异常吃惊。因为作为欧洲最大的研究中心之一，爱丁堡大学并行计算中心只有一百来名软件工程师。法国原子能委员会数字与模拟信息项目主任让·戈诺尔同样认为，“天河一号”的运算速度达到世界领先水平，其意义远远超过计算机本身。这位从事超级计算机研制工作已有10年的专家说，这意味着中国科研水平向前迈进了一大步，也表明中国经济竞争力的增强。^[6]

针对“天河一号”的关键技术是否中国制造，美国田纳西大学计算机学教授杰克·唐加拉就此接受了新华社记者采访。唐加拉是全球超级计算机500强排行榜主要编撰人之一，在现场核实了“天河一号”的运算速度。唐加拉说，虽然“天河一号”的处理器仍主要采用美国产品，但其互联芯片已全部替换为中国研究人员自主研制的产品。他说：“互联芯片主要涉及处理器之间的信息流动，对于超级计算机的整体性能起到关键作用。‘天河一号’的互联芯片由中国研制，具有世界最先进的水平。”唐加拉指出，“就处理器技术而言，中国与美国相比还有差距。不过中国正在该领域展开研发，因此如果一两年时间内在处理器技术方面达到与美国同等水平，我不会感到惊讶，中国摆脱西方技术的日子可能不会太久。”^[6]

日本东京理科大学知识产权战略副教授平塚三好则把“天河一号”看作一个标志。他认为中国开发出世界运算速度最快的超级计算机，意味着中国能够开发电子学领域最尖端的关键技术。他表示，“可以说，依靠世界顶尖超级计算机和开发实力，中国在科研、工业技术、国防力量方面都将达到世界顶级水平，这已经开始具有现实感。”德国《明镜》周刊则如此评价，中国在技术研发方面常被西方扣上“拷贝”的帽子，但中国目前已经是一个创新国家了。^[6]

截至2019年底，部署在国家超级计算天津中心的中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”运行已达10年，期间累计服务用户数近6000家，为企业带来相关经济效益累计近百亿元。2009年至2019年，“天河一号”满负荷运行超过5年。每天满负荷运行8000余个科研计算任务，分别来自中国近30个省、市、自治区的重点科研、企业、政府机构的近6000家用户，包括科技创新团队2000余个，企业3000余家，全面支撑科技创新和产业发展。^[9]

2009年8月9日，“莫拉克”台风袭击台，“天河一号”计算并预报了走势图，可以清晰地看到台风的中心、中心风力和走势，而这次预报被证实与后来的真实情况基本相同，准确率极高。^[16]截至2012年8月26日，从政府获悉，落户在天津滨海新区的“天河一号”服务用户已超过300家，涵盖中科院、中石油、南开大学、渣打银行等多个行业，并成为部分领域的核心生产力。^[19]

2011年5月，超算天津中心与中国磁约束聚变大规模数值模拟研究课题组签订了长期合作协议，这也是“天河一号”首次服务核聚变能源开发领域。按照协议，“天河一号”为磁约束聚变模拟研究提供充足的计算资源，并协助支持主要模拟代码在超算中心的运行和优化。^[20]

2011年10月26日，国家超级计算机天津中心与北京大学科学与工程计算中心签署战略合作框架协议，同时还成立国家超级计算机天津中心北京大学分中心，双方在搭建虚拟平台、实现资源共享等多方面展开合作。北京大学教师、学生使用“天河一号”，开展创新项目、高显示度等工作。^[21]

2014年8月，中国地球物理领域最高水平赛事—第二届“东方杯”全国大学生勘探地球物理大赛在天津滨海新区举行。在这次大赛上，中国油气能源勘探领域的第一款核心国产软件—Geo East地震数据处理软件系统，第一次在“天河一号”超级计算机上进行多人次、大规模运行，推动中国自主研发的能源勘探软硬件系统参与全球竞争。^[22]

2016年1月，国家超算天津中心与天津城建大学签署合作协议，双方立足“建筑云”，在建筑信息模型领域开展全方位合作，以提升中国建筑信息化水平，服务于智慧城市建设。“建筑云”是基于“天河一号”构建，全面研究建筑信息模型加地理信息系统技术在城市规划、建筑工程建设、轨道交通、智慧医疗、城市地下管网建设和管理、投资精算等方面的应用，为政府部门、建设开发企业及相关产业链上下游企业，提供云计算、大数据及虚拟建造等先进的5Ｄ技术集成应用的综合云服务平台。在此之前，国家超算天津中心上线运行了天河建筑信息模型云平台，“天河一号”已能对建筑过程中产生的主要数据进行存储和处理，从而对建筑的规划、设计、造价、施工等进行信息化管理，提升建筑施工综合效率，降低成本。^[23]

2018年12月，国家超级计算天津中心与中国恩菲合作，共同研发出矿业领域专属平台—天河矿业云，可提供包括在线协同设计、远程数据采集、三维真矿山数字化运维等多项服务，为中国矿业转型发展服务。该平台可服务于矿山设计领域的矿业企业、装备制造商和矿业领域技术人员，解决矿岩数字化建模、岩石力学仿真计算、采掘进度计划仿真、远程运维与专家诊断等行业问题，大幅提升传统矿山行业效率，推动实现绿色发展。天河矿业云已经应用到思山岭铁矿工程、瑞海金矿工程等一系列工程中，为拓展海外高海拔高寒地区市场，助力国家“一带一路”建设发挥了积极作用。^[24]同月，基于“天河一号”高性能计算与大数据、云计算等信息技术相融合的基础支撑环境，天津中心构建了集高性能计算与可视化分析处理于一体的汽车研发公共服务平台。在提升研发设计能力的同时，进一步缩短产品研发周期，提升研发质量。^[25]

截至2018年12月15日，“天河一号”实现满负荷运行，每天并发在线计算任务数超过1400项。“天河一号”累计支持国家科技重大专项、国家重点研发计划等重大项目超过1600项，取得国家级、省部级奖励成果等2000余项。并依托“天河一号”构建了油气勘探、工业设计与仿真等10余个专业化平台，为近200家规模以上企业提供高质量创新服务，带来相关经济效益近百亿元。^[26]

“天河一号A”是中国自行研制的超级计算机，该计算机于2010年12月22日在北京公布。“天河一号A”凭借4700万亿次/秒的峰值速度成为全球最快超级计算机，该计算机装配了万余颗英特尔CPU和7000多颗英伟达Tesla M2050 GPU，以及部分国产芯片。^[27][注2]

2013年6月，国防科大与广东省广州市通过军民融合式发展创新模式，研制成功了的天河二号超级计算机系统。它以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能，在第41届世界超级计算机500强排行榜上再次位居榜首。截至2014年11月，天河二号已连续4次获得世界超算冠军，并在国际超算领域首次进行的系统实际应用性能（HPCG）测试中获得第一名，天河二号也因此成为世界超算首个双料冠军。^[7]

超级计算机是世界高端信息技术领域的战略制高点，也是体现科技竞争力和综合国力的重要标志。“天河一号”的出现，打破了国外在高性能计算核心领域的技术封锁和限制政策，为解决中国经济、国防、科技等领域的挑战性问题提供了重要手段。^[28]（新华网 评）

“天河一号”的诞生，是中国战略高技术和大型基础科技装备研制领域取得的又一重大创新成果，实现了中国自主研制超级计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机系统的国家。^[2]（中华人民共和国科学技术部 评）

2010年夏，“天河一号”二期系统进场，经过半年多的技术攻关，系统安装接近尾声，但由于夏天气温高，光纤地沟温度更是高达40多度，光纤的绝缘胶皮与水泥地面摩擦产生了裂痕，在机房空调尚未安装完成的情况下，施工指挥员邹革新光着膀子带领施工人员在光纤地沟中铺设了一条光滑的“人肉传送带”，最终将15000多根光纤毫发无损的铺设到了光纤地沟中。^[11]

2015年8月12日，天津滨海新区瑞海公司危险品仓库发生爆炸。在爆炸的冲击下，国家超级计算天津中心满地碎玻璃，局部天花板掉落，超级计算机“天河一号”正常运行，出于安全考虑已人工关机。^[29][注3]