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"算"出一個新世界

"愛情能計算嗎？"臺千萬億次計算機"天河一號"誕生的2009年秋天，我曾問國防科大的一位計算機科學家。

他用長長的一段話作答："辯證法認為，世界是有規律的。但還有很多問題比如愛情，人類尚未發現其中的規律，而已經發現的規律中也有可計算的和不可計算的。換句話說，只要人類能夠發現規律、并且找到方法把規律變成可計算的問題從而建立起物理和數學模型，計算機就能夠替代人類在這些問題中的勞動。"

轉眼4年。

天河二號蟬聯"世界及時"的今天，我想起了當年的問題。在升級換代速度比我用的手機還快的天河計算機上，"規律"無處不在：計算機科學家們造出速度更快、應用環境更好的機器，有助于進一步揭示世界的規律；各行各業的用戶通過發現更多規律、建立數理模型從而寫出應用軟件，才能把超級計算機抽象的計算能力轉化為具體的計算成果。

由此可見，發現規律既是科學探索的目的，也是科學探索的基礎。

我有一幫哥們兒，五音不全但極熱愛歌唱事業。每每與之K歌，我的價值觀都會受到顛覆性的沖擊。他們的演唱，突破了音符存在的意義，突破了曲與詞的對應關系，突破了此歌與彼歌的界限。他們在一個八度與另一個八度之間、在說與唱之間毫無過渡地來回切換，如入自由之境。作為聽眾，我永遠無法預測他們下一句將要神舟上天還是蛟龍潛海，無法預測他們能在同一首歌里開辟出怎樣一種自主創新百家爭鳴的局面，但我被他們的快樂深深感染。

你看，雖然人類早已從基因中發現了生命的部分密碼，雖然美國科學家正在試圖通過聲波破譯海嘯蹤跡，雖然國足在輸球問題上從不讓我們意外，世上還真有些問題是難循規律的。即使是我們以為有規律的事，放在不同的人身上，也可能顯得沒了規律。因此，探尋規律是一個極為艱難的過程。

對于"近代科學為何沒能產生在中國"的"李約瑟難題"，李約瑟認為，中國古代缺乏自然規律觀念，阻礙了近代科學技術在本土成長。

實際上，中國古人是有明確規律觀念的。西周先人問："悠悠蒼天，曷其有常？"老子把"道"提升到宇宙和人生之巔。孫臏總結："天地之理，至則反，盈則敗。"

天行有常，天地有道，萬物有理。這"常"、"道"、"理"，就是隱藏在宏觀世界與微觀世界、物質世界與精神世界中的規律。

一個廣為接受的解釋是：中國古人并不是沒有自然規律意識，但其追尋規律的行為是實用性的。他們更關心科學活動的用途——比如天象變化與皇帝娶媳婦的關系，而不是探究天象背后的物理原理。

就在中國固守"老中醫"式傳統經驗科學的17世紀，英格蘭的一個蘋果砸出了牛頓的萬有引力定律。詩人蒲伯深情贊美道："自然與自然規律隱藏在黑暗中，上帝說，讓牛頓出生吧！于是一切迎來光明。"

建立在系統觀察基礎上的實驗開始與嚴密的邏輯體系結合，形成了系統的科學理論。以伽利略和牛頓為代表的科學家對科學方法論進行了重大變革，使得理論和實驗成為人類探索科學的兩種基本手段。

伴隨著科學前進的步伐，科學問題越來越復雜，這兩種方法顯示出局限性。上個世紀40年代，電子計算機的發明大大提高了人類的計算能力，科學計算從此成為探尋世界的第三種方式。

錯過近代科學的中華民族，在新中國成立后才加入國際科技競賽。對于科學計算這一新興工具，從"銀河"到"天河"，中國的超級計算機由"中國創造"走向某些領域的"中國經驗豐富"。

追趕與競爭也許提供了最初的理由，但科學永遠是較大的動力。

"天河二號"工程副總指揮李楠說："贏得競爭只是我們發展超算的副產品，更重要的是考慮怎樣把機器用好，獲得更多的科學發現。"

這話真牛——拿及時是個摟草打兔子的事兒，科學家們不太在意，咱媒體也別起哄得太厲害。

從一個積貧積弱的國家發展為世界第二大經濟體，占地球五分之一人口的中國人終于可以擺脫實用主義的桎梏，把目光從腳下投向頭頂的星空，在對人類未來命運的關注中施展更為遠闊的抱負。

安裝在國家超算天津中心的"天河一號"已有用戶600多家，催生了一大批科學和產業成果。廣州超級計算中心的"天河二號"先導系統也開始在基因分析、新車研發等領域展開試算。

今天的成果無論如何豐厚，對于牛頓所言的浩瀚海洋，也不過是貝殼一枚。誰也不知道，超級計算機還會引領我們通向一個怎樣美麗的新世界。

沒準兒能發現我那幫哥們兒獨特的音樂思維和發聲規律呢。

那該多有趣。

后記 對話杰克·唐加拉：世界超算與天河二號

對話人物：杰克·唐加拉——美國工程院院士，Top500主持人之一，超級計算機基準測試、數值分析、線性代數解算器和高性能計算領域的先驅。美國田納西大學電子機械和計算科學系計算科學杰出教授，橡樹嶺國家實驗室計算機科學和數學部杰出研究員；白瑞雪——本書作者。

對話時間：2013年5月28日，長沙"2013高性能計算國際論壇"。

白瑞雪：未來研發百億億次級計算機面臨哪些挑戰？

唐加拉：耗電是核心問題。百億億次級計算機能耗驚人，你們這臺世界上最快的超級計算機耗電量大概是17兆瓦。17兆瓦是一個巨大的數字。

白瑞雪：巨大到什么程度？

唐加拉：在美國，如果一臺機器耗電量為1兆瓦，運行一年的成本是100萬美元。而超級計算機只要開著，一年就得花掉2000萬美元。

另一個挑戰是編程問題。一個人修一座房子太慢，如果增加到10個人，修房子的效率也許可以快上10倍。但是，如果有300萬人修這座房子，你要關心的就是他們會不會彼此妨礙了。

這些計算機還有另一個關鍵問題：太貴了。我們在討論超級計算時往往想到的是硬件，實際上設備內部還有很多其他東西——軟件，運算法則，應用，操作系統，編譯器，等等。所有這些都需要錢。

白瑞雪：投入的不平衡可能不僅是某個國家的問題。

唐加拉：沒錯，最受重視的總是硬件。美國、歐洲、日本都面臨這個問題，中國同樣如此。改善超算生態系統需要各方努力。

白瑞雪：這兩天大家對高性能計算的發展動力談了不少。在政府決心、技術進步和科學需求以及其他因素之間，你認為哪個因素最重要？

唐加拉：科學需求是最重要的因素。超級計算機是高度復雜的科學構體，就像能夠預知未來的水晶球。未來氣候變化、星系撞擊、藥物設計，這一切都可以在計算機上進行模擬。高性能計算讓我們能夠更深入地觀察問題，解析度和結果的逼真度更高，當然，求得結果的速度也更快。比如天氣預報。如果計算機很慢，要想知道明天天氣怎樣，也許得24個小時。那么運算就失去意義了——24小時后你可以朝窗外看看天氣怎樣即可。因此，我們要求計算機速度快、求解，這兩項指標都得靠高性能運算。

白瑞雪：政府支持也很重要吧？

唐加拉：當然。沒有政府支持，別人是很難進行這么大規模投入的。政府通常會對什么樣的科學最重要進行排序，對重要科學投以經費。

看看我們的Top500榜單上的機器及其用途，很有意思的一點是，它們中大約一半機器都用于產業界，而不是實驗室或大學。它們的使用者是那些有模擬或預報需求并進行運算的公司。這些公司深知高性能計算機的重要性。他們明白，買下這些機器就有了競爭優勢。因此，高性能計算機已經超越了通常的科學需求，他們被廣泛用于產業界并發揮了積極作用。

白瑞雪："大數據"是這幾年的熱詞。人們對大數據的日益重視是高性能計算發展的良機吧？

唐加拉：是的。數據是高性能計算的驅動力，在高性能計算機上運行的幾乎每一項應用都有大數據需求，二者不可分。高性能計算離不開大數據，大數據以及怎樣解決大數據帶來的一系列挑戰，同樣離不開高性能計算。今天越來越多的人樂于談論大數據，其實大數據背后仍然是高性能計算。

白瑞雪：我聽說你在Ipad2上運行Linpack，速度相當于1985年世界上最快的超級計算機Cray2。

唐加拉：過去30年發展驚人。高性能計算機的性能每10年提高1000倍，這給我們的工作帶來了巨大變化。我手里這臺Iphone每秒鐘能進行10億次計算——每秒鐘10億次計算！真是不可思議。當然，今天的超級計算機比Iphone強大得多。

白瑞雪：這在10年前難以想象。

唐加拉：難以想象。更難想象的是10年后會發生什么，10年后的超級計算機又能干些什么。

白瑞雪：如果在高性能計算語境中表述摩爾定律，可以說超級計算機的性能每兩年翻一番嗎？

唐加拉：我們從廣義上將摩爾定律表述為：計算機芯片的性能每18個月翻一番。看看Top500榜單的變化你會發現，超級計算機的性能其實是每14個月就增加一倍，比摩爾定律預言的更快。這是計算機采用了并行處理的結果。

白瑞雪：這個周期將來還可能進一步縮短嗎？

唐加拉：不太可能了。總是有盡頭的。我搞計算機設計的朋友們認為，至少在未來10年，摩爾定律還將繼續有效。

白瑞雪：2010年天河一號成為世界上最快的計算機時，媒體稱之為黑馬，你則認為它是對美國的警示。如果天河二號下個月真的成為全球最快的計算機，這一次你怎樣評價它的成功？

唐加拉：這臺機器令人印象深刻，又是一項創新性進步，也許就其投入而言對美國仍然是一種警示。2001年中國在Top500還榜上無名，而今天中國的機器保有量已達到世界第二，實在是令人震撼的變化。此外，天河二號選擇了英特爾產品作為主要處理器，但機器內部的互聯技術是中國自己的。中國計算機越來越多地采用中國技術，這對美國來說也是一種警示。這表明，高性能計算的發展提升了中國的競爭優勢，中國政府正在對這一領域竭盡全力加以投入。

白瑞雪：天河二號為什么這么快？訣竅在于互聯技術嗎？

唐加拉：高速互聯是必需的。大量處理器是計算機速度的基礎，但怎樣把它們連接在一起同樣重要，需要速度很快的互連技術，需要高超的編程技術。

白瑞雪：2010年天河一號奪冠的時候，它是Top500中用GPU作為加速器構建混合結構的機器。而從2012年11月的榜單來看，23臺千萬億次級機器中有6臺都是混合結構，其中4臺用了英偉達的GPU。就方法論而言，這可以說是中國機器帶給世界高性能計算的變化嗎？

唐加拉：混合結構是個老概念，上個世紀70年代就有了。把兩臺機器連接起來，就是最早的混合機器。今天，隨著部件小型化，處理器集成到了芯片上，加速器集成到了主板上，因此我們不再需要連接兩臺計算機，而是把芯片和主板連接起來構建混合結構。如你所說，天河一號確實是最早這樣做的機器之一。混合是大勢所趨。我預言，幾年后全球最快的10臺計算機都將是混合型的。

白瑞雪：在世界超算經驗豐富陣營中，中國這樣的新成員加入是否更有利于高性能計算未來的創新發展？

唐加拉：這個領域的競爭非常有益。因為中國的成功，美國也許會警醒從而加大高性能計算領域的投入。或者，日本將此看作他們已經落后的信號，會重新加強高性能計算方面的行動。歐洲同樣如此。因此從更廣意義上來看，中國的成功有助于推動世界高性能計算進步。

白瑞雪：Top500榜單就像是一場比賽。

唐加拉：我們都想成為及時名。從某種意義上說，這就是場比賽，而我們擁有的計算機就像是獎杯。

當然，怎樣使用計算機，才是真正關鍵所在。我們使用超級計算機是為了更深入洞察科學，發現、探索那些以前在過去無法探索的新事物。每個國家都愿意投入，只是一些國家難以承擔巨額費用。在今天的美國，很多工程資金競爭激烈，高性能計算也許不是最靠前的。因此，美國可能無法像中國近年來那樣對高性能計算進行持續的資金投入。

歐洲核子研究組織的加速器資金來自多個國家。如果我們也遇到類似情況，也許我們也能夠聯合各國共同研制計算機，這樣將使各方受益。

白瑞雪：那么你看好國際合作前景？

唐加拉：我希望如此。但是，人們為什么不愿意開展國際合作，也許是有很多原因的。超級計算機能干很多事，也能用來提高武器殺傷力。因此我們得小心。美國國家能源部用超級計算機來確保核儲備的安全。在這個意義上，超算關乎國家安全。(完)