中國超算事業(yè)的第一縷“曙光”
在中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所(以下簡稱計(jì)算所)“計(jì)算的腳步”歷史展廳,“曙光一號(hào)”高性能計(jì)算機(jī)的模型赫然在列。沒有玻璃的阻擋,人們可以駐足觀看它的每一處細(xì)節(jié)。然而,在“曙光一號(hào)”誕生之前,中國進(jìn)口的高性能計(jì)算機(jī)(即超算),只能在“玻璃房”中使用。
“曙光一號(hào)”的故事,就是從刺激了一代科學(xué)家神經(jīng)的“玻璃房”開始的。
20世紀(jì)80年代末,我國在高性能計(jì)算機(jī)方面遭到美國等西方國家的嚴(yán)格禁運(yùn),不僅只能以高昂價(jià)格購進(jìn)相對(duì)低端的產(chǎn)品,就連正常使用也要在對(duì)方監(jiān)控之下——部署到中國的高性能計(jì)算機(jī)必須安裝在一間透明機(jī)房中,鑰匙由對(duì)方掌握,中方人員的一舉一動(dòng)都在“洋人”眼皮底下,運(yùn)算的數(shù)據(jù)也要被他們查得清清楚楚。
“‘玻璃房’是中國的恥辱!”時(shí)任國家科委主任、兩院院士宋健的這句話,又何嘗不是每個(gè)中國“計(jì)算人”心頭的苦澀。
那時(shí),工作站性能以上的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)幾乎被國外公司壟斷,雖有一些自行設(shè)計(jì)制造的大型計(jì)算機(jī),但大多落后幾代或應(yīng)用極為有限,被譏為“‘公機(jī)’不會(huì)下蛋”。中國民族計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)舉步維艱。
1?“新世紀(jì)的曙光”
1981年,日本開啟了野心勃勃的“第五代計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”。他們希望改進(jìn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想,讓計(jì)算機(jī)具有人工智能的能力。該計(jì)劃以10年為期,投資超過1000億日元,引發(fā)全球極大關(guān)注,并迅速掀起了一波智能計(jì)算機(jī)研究的浪潮。
據(jù)中國工程院院士汪成為回憶,在日本“第五代計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”影響下,直到1986年,全世界對(duì)人工智能技術(shù)發(fā)展都持相當(dāng)樂觀的態(tài)度,各國紛紛制訂國家級(jí)人工智能發(fā)展計(jì)劃。
是年,我國“863”計(jì)劃正式步入歷史舞臺(tái)。專家們?cè)谟懻撐覈畔⒓夹g(shù)領(lǐng)域的計(jì)劃時(shí),一致同意把智能計(jì)算機(jī)列為一個(gè)主題項(xiàng)目(即“306”主題)。1990年3月,國家智能計(jì)算機(jī)研究開發(fā)中心(以下簡稱智能中心)依托計(jì)算所成立,第二屆智能計(jì)算機(jī)專家組成員、計(jì)算所研究員李國杰被任命為主任。
“智能中心剛成立就面臨發(fā)展戰(zhàn)略的選擇?!崩顕芑貞?,當(dāng)時(shí)國家的初衷顯然是要研制智能計(jì)算機(jī),但是要不要追隨日本研制以并行推理機(jī)為標(biāo)志的第五代計(jì)算機(jī),他和專家組心里都有些打鼓。
為了更廣泛聽取國內(nèi)外專家的意見,智能中心于1990年5月在北京召開了智能計(jì)算機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略國際研討會(huì)。與會(huì)的學(xué)者包括美國總統(tǒng)科學(xué)顧問許瓦爾茲、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論奠基者之一霍普菲爾德、日本第五代計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)人之一田中英彥、美國南加州大學(xué)教授黃鎧和伊利諾伊大學(xué)教授華云生、中國科學(xué)院院士吳文俊等。
“這次會(huì)議對(duì)智能中心選擇以通用的并行計(jì)算機(jī)為主攻方向起到了重要的推動(dòng)作用?!崩顕苷f。此后,專家組在反復(fù)研究世情和國情、深入分析國內(nèi)外專家反映的意見后,一致決定不走日本“五代機(jī)”的路,而是堅(jiān)持“需求牽引、技術(shù)推動(dòng)”原則,擬定了863-306主題的發(fā)展計(jì)劃綱要,將智能中心的主攻方向確定為“以并行處理為基礎(chǔ)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。
采用對(duì)稱式多處理器共享存儲(chǔ)并行體系結(jié)構(gòu)(即SMP方案)的“曙光一號(hào)”,成為這個(gè)主攻方向的第一個(gè)目標(biāo)。
李國杰還記得,智能中心內(nèi)部最開始把要研制的計(jì)算機(jī)命名為“東方一號(hào)”。但在紀(jì)念“863”計(jì)劃5周年的一次文藝演出活動(dòng)中,他看到舞臺(tái)背景上有“新時(shí)代的曙光”字樣,一下子受到觸動(dòng)。他于是決定,智能中心研制的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)叫“曙光”。
“在我們這一代人手里,中國的高技術(shù)應(yīng)該呈現(xiàn)出燦爛的曙光。”李國杰說。
2?“不怕虎的初生牛犢”
其實(shí),SMP方案的確定并不那么容易,當(dāng)時(shí)“干擾項(xiàng)”很多。
計(jì)算所原副所長、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院原院長樊建平記得,當(dāng)時(shí)國內(nèi)外傳統(tǒng)大型機(jī)發(fā)展的慣性思路是,采用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)運(yùn)算控制器主板,而非商品化微處理器。例如,一時(shí)風(fēng)頭無兩的日本“五代機(jī)”采用的就不是SMP方案,而是專用機(jī)策略。
但專家組最終拍板了SMP方案。一方面,與傳統(tǒng)的小型機(jī)、大型機(jī)比較,SMP方案在性能價(jià)格比方面有明顯優(yōu)勢(shì);另一方面,基于微處理器的SMP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是軟件,技術(shù)難點(diǎn)轉(zhuǎn)移對(duì)我國有利。并且,一旦掌握SMP技術(shù),易形成高性能計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品,有利于科技成果產(chǎn)業(yè)化。此外,專家組認(rèn)為,國外的并行機(jī)技術(shù)也在發(fā)展中,沒有形成壟斷局面,我們有可能迎頭趕上。
在“306”專家組的共同努力下,“863”計(jì)劃的智能計(jì)算機(jī)研制任務(wù)在發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)的行動(dòng)之中落地。用李國杰的話說,那段歲月,我國是以智能計(jì)算機(jī)的名義發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)。
“30多年過去了,現(xiàn)在來看,當(dāng)時(shí)的決策還是正確的?!彼f,近幾年人工智能十分紅火,其必要前提就是強(qiáng)大的算力。863-306主題培育的高性能計(jì)算能力為我國在人工智能領(lǐng)域進(jìn)入世界前列奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
李國杰(左二)和團(tuán)隊(duì)成員一起檢查“曙光一號(hào)”主板。
研制“曙光一號(hào)”,是智能中心歷史上精彩的一幕。
起初,智能中心并沒有招到多少有計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人才,李國杰大膽起用國內(nèi)剛畢業(yè)的碩士生、博士生,邊做事邊培養(yǎng)。智能中心成立一年后,就基本形成了以年輕碩士、博士為主的技術(shù)隊(duì)伍。他們的平均年齡不到30歲。27歲的樊建平剛剛從中國科學(xué)院軟件研究所博士畢業(yè)不到一年,就擔(dān)任了智能中心系統(tǒng)軟件組組長;剛剛碩士畢業(yè)的孫凝暉只有24歲,就成為軟件組的主力成員;從計(jì)算所碩士畢業(yè)的劉金水,從外單位回所參與研發(fā)“曙光一號(hào)”時(shí)也只有28歲。
他們可能無暇顧及,“曙光一號(hào)”未來的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是IBM、惠普這些國際巨頭。在李國杰眼里,他們是一群“不怕虎的初生牛犢”。
1991年11月前后,“曙光一號(hào)”采用Motorola M88100微處理器、共享存儲(chǔ)多處理機(jī)和并行UNIX操作系統(tǒng)的通用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體方案確定下來。
確定了總體方案,接下來的工作就是全力攻堅(jiān)。但是,當(dāng)時(shí)國內(nèi)的研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境實(shí)在太差:購買硬件器件速度慢,操作系統(tǒng)、部件與工具廠商技術(shù)支持弱,高密度生產(chǎn)技術(shù)缺乏……巧婦難為無米之炊,這樣下去不是辦法。
智能中心大膽決策——派一支小分隊(duì)到美國硅谷去研發(fā)!
3?“洋插隊(duì)”的日子
陳鴻安、樊建平、劉金水、李如昆、王永杰等人被選中,前往美國硅谷進(jìn)行“曙光一號(hào)”的封閉式研發(fā)。出發(fā)前,李國杰為他們組織了“誓師大會(huì)”,臨別贈(zèng)言只有一句話:“人生能有幾回搏”!
“不做成機(jī)器回來,無臉見江東父老。”小分隊(duì)成員也撂下“狠話”。
1992年3月,樊建平等人開始了為期11個(gè)月左右的“洋插隊(duì)”生活。
小分隊(duì)在美國工作與生活的地方,樊建平記憶猶新。那是一處美式民居,有4間臥室,廚房與客廳很大。為方便加班,大家決定將辦公地點(diǎn)設(shè)在客廳。除了外出與部件廠商進(jìn)行技術(shù)交流等活動(dòng)外,他們大部分時(shí)間都生活與工作在這個(gè)民居里。
“當(dāng)時(shí)被派到美國去的那些人,可不是去過好日子的,他們的條件非常艱苦。”李國杰回憶,“幾個(gè)人擠在一處民居里,客廳就是工作間,所有房間都沒有床,大家都是鋪一張床墊睡在地上。他們每天工作十五六個(gè)小時(shí)以上,沒日沒夜,衣服都不怎么脫。所以,他們才戲稱自己是‘洋插隊(duì)’。”
生活上,大家以星期為單位,輪班做飯。晚飯后的散步或騎自行車是他們主要的娛樂與體育鍛煉活動(dòng)。后來,他們買了一輛二手汽車,自學(xué)開車考駕照成為另一種“娛樂”活動(dòng)。
他們的每一天被分成上午、下午、晚上3個(gè)工作單元,沒有周末、沒有節(jié)假日,除了睡覺、吃飯、散步,其他睜眼的時(shí)間都在工作。近一年的時(shí)間里,他們安之若素,沒有人心猿意馬、三心二意。
他們深知,自己肩上扛著的是“曙光一號(hào)”的前途命運(yùn),是中國計(jì)算機(jī)事業(yè)的使命。
“曙光一號(hào)”赴美國研制團(tuán)隊(duì)(左起依次為李如昆、樊建平、陳鴻安、賈沛長、劉金水、王永杰)。
在硅谷期間的研發(fā)工作,分為總體方案完善、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工及部分調(diào)試幾個(gè)階段。樊建平記得,完善總體方案的那一個(gè)多月里,他們與國內(nèi)交流最為密切,通過傳真與國內(nèi)團(tuán)隊(duì)圍繞多處理機(jī)中斷控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不斷進(jìn)行研討。當(dāng)時(shí),智能中心軟件組與硬件組部分人員繼續(xù)配合“曙光一號(hào)”硬件及并行程序的設(shè)計(jì),同時(shí)抽調(diào)部分人員組成“曙光1000”組,開啟“曙光1000”的早期預(yù)研。
由于利用了硅谷的產(chǎn)業(yè)環(huán)境,“曙光一號(hào)”的研發(fā)進(jìn)程大大加快。不到半年,“曙光一號(hào)”的硬件設(shè)計(jì)接近完成。至1992年10月,小分隊(duì)完成了主板設(shè)計(jì)并進(jìn)入印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段。11月左右,用作中斷控制器的FPGA芯片(一種稱為可編程邏輯陣列的半定制集成電路)研制成功,這是全對(duì)稱多處理機(jī)的關(guān)鍵芯片。這之后,軟件設(shè)計(jì)調(diào)試與硬件并行展開。同時(shí),智能中心軟件組對(duì)引進(jìn)的UNIX源程序已進(jìn)行近兩年的逐行分析解讀,在參考Encore并行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上,樊建平等人成功研發(fā)中國第一個(gè)并行UNIX操作系統(tǒng),取名為SNIX(Symmetric UNIX),率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)線程級(jí)細(xì)粒度并行。
國內(nèi)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在搏命飛奔,在當(dāng)時(shí)十分簡陋的科研環(huán)境里,常常工作到很晚。
1993年2月,硅谷小分隊(duì)帶著已進(jìn)行初步調(diào)試的幾塊“曙光一號(hào)”主板載譽(yù)歸來,并迅速與國內(nèi)的同事開啟聯(lián)調(diào)及軟件移植工作。
“曙光一號(hào)”團(tuán)隊(duì)不負(fù)眾望,僅用了兩個(gè)月,計(jì)算機(jī)硬件、顯示設(shè)備、基本輸入輸出系統(tǒng)及操作系統(tǒng)核心的調(diào)試工作就基本完成。由張兆慶和喬如良領(lǐng)導(dǎo)的并行編譯、劉曉華負(fù)責(zé)的Express編程環(huán)境、孫凝暉等負(fù)責(zé)的計(jì)算性能測(cè)試與優(yōu)化、隋雪青等負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)庫移植與事務(wù)處理測(cè)試等工作,也在后來的兩三個(gè)月內(nèi)逐一完成。
“曙光一號(hào)”成了!
1993年10月,科技部組織國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)“曙光一號(hào)”進(jìn)行成果技術(shù)鑒定,專家們給予了高度評(píng)價(jià)。時(shí)任中國科學(xué)院副院長胡啟恒稱:“‘曙光一號(hào)’咬住了國際高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的‘尾巴’?!?/p>
4?“這一腳踩下去是轟隆隆響的”
胡啟恒一直十分關(guān)注“曙光一號(hào)”的進(jìn)展。她在一次接受采訪時(shí)回憶起那段經(jīng)歷,非常感慨地說:“‘曙光一號(hào)’這一腳踩下去是轟隆隆響的?!?/p>
“曙光一號(hào)”誕生后不久,由美、英、日等發(fā)達(dá)國家組成的“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”組織宣布解除10億次高性能計(jì)算機(jī)對(duì)中國的禁運(yùn)?!?63”計(jì)劃的主要發(fā)起人、兩院院士王大珩在考察智能中心后給中央領(lǐng)導(dǎo)寫的報(bào)告中指出: “‘曙光一號(hào)’研制成功的意義不亞于衛(wèi)星上天。”
1994年,“曙光一號(hào)”作為國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的兩項(xiàng)標(biāo)志性成就之一,被寫入1994年的政府工作報(bào)告。
相比此前研發(fā)的計(jì)算機(jī)型號(hào),“曙光一號(hào)”的研發(fā)僅歷時(shí)一年多,研究團(tuán)隊(duì)成員也只有年輕的碩士、博士,投入經(jīng)費(fèi)只有區(qū)區(qū)200萬元。其研制經(jīng)費(fèi)之少、研制時(shí)間之短、成果商品化程度之高等都與過去形成鮮明對(duì)比??梢哉f,智能中心的一批“小將”以自己的頑強(qiáng)拼搏,為打破高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的國外技術(shù)封鎖作出了歷史性貢獻(xiàn)。
“‘曙光一號(hào)’帶來的科研經(jīng)驗(yàn)是寶貴的?!崩顕苷f,正確選擇科研方向是成功的首要條件。更可貴的是,此后科研團(tuán)隊(duì)并沒有專注于發(fā)論文,而是擔(dān)起了更重要的使命——實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
1994年1月,時(shí)任國家科委主任宋健來到智能中心視察,看到“曙光一號(hào)”團(tuán)隊(duì)的成果“曙光初現(xiàn)”,號(hào)召智能中心勇當(dāng)“敢死隊(duì)”,“像當(dāng)年劉鄧大軍一樣殺出重圍”。智能中心積極響應(yīng)這一號(hào)召,依托“曙光一號(hào)”的科研成果,于1995年成立了曙光信息產(chǎn)業(yè)有限公司,即今天的中科曙光。
“曙光機(jī)一開始就沒有以發(fā)表SCI文章為目標(biāo),因?yàn)槲覀兿氲氖且谑袌?chǎng)上占有一席之地,這個(gè)目標(biāo)非常明確?!崩顕苷f,“曙光一號(hào)”自研制之初,就把產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化作為目標(biāo)。
“‘曙光一號(hào)’在設(shè)計(jì)階段的一個(gè)理想就是成為產(chǎn)品,而不僅僅是科研成果,鑒定會(huì)就是它的市場(chǎng)推廣會(huì)?!狈ㄆ礁嬷?,當(dāng)時(shí),“曙光一號(hào)”系列機(jī)型已在教育行業(yè)、信息服務(wù)、行政管理及援外項(xiàng)目等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成功應(yīng)用。
“‘曙光一號(hào)’的成功研制,開辟了一條在開放和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)條件下發(fā)展高技術(shù)的新路?!崩顕芸偨Y(jié),當(dāng)年智能中心對(duì)“洋插隊(duì)”提出了“兩做、兩不做原則”——完全屬于仿制、沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品不做;只為填補(bǔ)空白、市場(chǎng)上沒有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品不做。那做什么呢?集中力量,做國外對(duì)我國封鎖的技術(shù)和產(chǎn)品;努力趕超,做國外尚不成熟的技術(shù)和產(chǎn)品。
“現(xiàn)在看來,這些原則還應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持。”李國杰說。
智能中心走廊“人生能有幾回搏”標(biāo)語。計(jì)算所供圖
以“曙光一號(hào)”為起點(diǎn),中國超算事業(yè)拉開了自力更生、自立自強(qiáng)的大幕。此后的30年,在曙光、天河、神威等系統(tǒng)一代代研制者的努力下,國產(chǎn)通用高性能計(jì)算機(jī)幾乎占領(lǐng)了全部國內(nèi)市場(chǎng),成為中國打破“禁運(yùn)”、發(fā)展自主可控高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的榜樣。
“曙光一號(hào)”的意義還在于,它闖出了一條市場(chǎng)導(dǎo)向的高技術(shù)研究開發(fā)的理念和技術(shù)路線。經(jīng)過20多年發(fā)展,以“曙光一號(hào)”知識(shí)產(chǎn)權(quán)為基礎(chǔ)成立的中科曙光已成為我國高性能計(jì)算的骨干企業(yè),并于2014年在上海證券交易所主板上市。后來中科曙光又控股創(chuàng)辦了我國中央處理器(CPU)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的骨干企業(yè)海光公司,控股參股孵化出中科星圖和曙光數(shù)創(chuàng)等上市公司。曙光系上市公司以其近3000億元的市值,成為“863”計(jì)劃科研成果轉(zhuǎn)化中最具代表性的案例之一。
(原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-09-09?第4版?專題)
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