"算"出一个新世界

"爱情能计算吗？"台千万亿次计算机"天河一号"诞生的2009年秋天，我曾问国防科大的一位计算机科学家。

他用长长的一段话作答："辩证法认为，世界是有规律的。但还有很多问题比如爱情，人类尚未发现其中的规律，而已经发现的规律中也有可计算的和不可计算的。换句话说，只要人类能够发现规律、并且找到方法把规律变成可计算的问题从而建立起物理和数学模型，计算机就能够替代人类在这些问题中的劳动。"

转眼4年。

天河二号蝉联"世界及时"的今天，我想起了当年的问题。在升级换代速度比我用的手机还快的天河计算机上，"规律"无处不在：计算机科学家们造出速度更快、应用环境更好的机器，有助于进一步揭示世界的规律；各行各业的用户通过发现更多规律、建立数理模型从而写出应用软件，才能把超级计算机抽象的计算能力转化为具体的计算成果。

由此可见，发现规律既是科学探索的目的，也是科学探索的基础。

我有一帮哥们儿，五音不全但极热爱歌唱事业。每每与之K歌，我的价值观都会受到颠覆性的冲击。他们的演唱，突破了音符存在的意义，突破了曲与词的对应关系，突破了此歌与彼歌的界限。他们在一个八度与另一个八度之间、在说与唱之间毫无过渡地来回切换，如入自由之境。作为听众，我永远无法预测他们下一句将要神舟上天还是蛟龙潜海，无法预测他们能在同一首歌里开辟出怎样一种自主创新百家争鸣的局面，但我被他们的快乐深深感染。

你看，虽然人类早已从基因中发现了生命的部分密码，虽然美国科学家正在试图通过声波破译海啸踪迹，虽然国足在输球问题上从不让我们意外，世上还真有些问题是难循规律的。即使是我们以为有规律的事，放在不同的人身上，也可能显得没了规律。因此，探寻规律是一个极为艰难的过程。

对于"近代科学为何没能产生在中国"的"李约瑟难题"，李约瑟认为，中国古代缺乏自然规律观念，阻碍了近代科学技术在本土成长。

实际上，中国古人是有明确规律观念的。西周先人问："悠悠苍天，曷其有常？"老子把"道"提升到宇宙和人生之巅。孙膑总结："天地之理，至则反，盈则败。"

天行有常，天地有道，万物有理。这"常"、"道"、"理"，就是隐藏在宏观世界与微观世界、物质世界与精神世界中的规律。

一个广为接受的解释是：中国古人并不是没有自然规律意识，但其追寻规律的行为是实用性的。他们更关心科学活动的用途——比如天象变化与皇帝娶媳妇的关系，而不是探究天象背后的物理原理。

就在中国固守"老中医"式传统经验科学的17世纪，英格兰的一个苹果砸出了牛顿的万有引力定律。诗人蒲伯深情赞美道："自然与自然规律隐藏在黑暗中，上帝说，让牛顿出生吧！于是一切迎来光明。"

建立在系统观察基础上的实验开始与严密的逻辑体系结合，形成了系统的科学理论。以伽利略和牛顿为代表的科学家对科学方法论进行了重大变革，使得理论和实验成为人类探索科学的两种基本手段。

伴随着科学前进的步伐，科学问题越来越复杂，这两种方法显示出局限性。上个世纪40年代，电子计算机的发明大大提高了人类的计算能力，科学计算从此成为探寻世界的第三种方式。

错过近代科学的中华民族，在新中国成立后才加入国际科技竞赛。对于科学计算这一新兴工具，从"银河"到"天河"，中国的超级计算机由"中国创造"走向某些领域的"中国经验丰富"。

追赶与竞争也许提供了最初的理由，但科学永远是较大的动力。

"天河二号"工程副总指挥李楠说："赢得竞争只是我们发展超算的副产品，更重要的是考虑怎样把机器用好，获得更多的科学发现。"

这话真牛——拿及时是个搂草打兔子的事儿，科学家们不太在意，咱媒体也别起哄得太厉害。

从一个积贫积弱的国家发展为世界第二大经济体，占地球五分之一人口的中国人终于可以摆脱实用主义的桎梏，把目光从脚下投向头顶的星空，在对人类未来命运的关注中施展更为远阔的抱负。

安装在国家超算天津中心的"天河一号"已有用户600多家，催生了一大批科学和产业成果。广州超级计算中心的"天河二号"先导系统也开始在基因分析、新车研发等领域展开试算。

今天的成果无论如何丰厚，对于牛顿所言的浩瀚海洋，也不过是贝壳一枚。谁也不知道，超级计算机还会引领我们通向一个怎样美丽的新世界。

没准儿能发现我那帮哥们儿独特的音乐思维和发声规律呢。

那该多有趣。

后记 对话杰克·唐加拉：世界超算与天河二号

对话人物：杰克·唐加拉——美国工程院院士，Top500主持人之一，超级计算机基准测试、数值分析、线性代数解算器和高性能计算领域的先驱。美国田纳西大学电子机械和计算科学系计算科学杰出教授，橡树岭国家实验室计算机科学和数学部杰出研究员；白瑞雪——本书作者。

对话时间：2013年5月28日，长沙"2013高性能计算国际论坛"。

白瑞雪：未来研发百亿亿次级计算机面临哪些挑战？

唐加拉：耗电是核心问题。百亿亿次级计算机能耗惊人，你们这台世界上最快的超级计算机耗电量大概是17兆瓦。17兆瓦是一个巨大的数字。

白瑞雪：巨大到什么程度？

唐加拉：在美国，如果一台机器耗电量为1兆瓦，运行一年的成本是100万美元。而超级计算机只要开着，一年就得花掉2000万美元。

另一个挑战是编程问题。一个人修一座房子太慢，如果增加到10个人，修房子的效率也许可以快上10倍。但是，如果有300万人修这座房子，你要关心的就是他们会不会彼此妨碍了。

这些计算机还有另一个关键问题：太贵了。我们在讨论超级计算时往往想到的是硬件，实际上设备内部还有很多其他东西——软件，运算法则，应用，操作系统，编译器，等等。所有这些都需要钱。

白瑞雪：投入的不平衡可能不仅是某个国家的问题。

唐加拉：没错，最受重视的总是硬件。美国、欧洲、日本都面临这个问题，中国同样如此。改善超算生态系统需要各方努力。

白瑞雪：这两天大家对高性能计算的发展动力谈了不少。在政府决心、技术进步和科学需求以及其他因素之间，你认为哪个因素最重要？

唐加拉：科学需求是最重要的因素。超级计算机是高度复杂的科学构体，就像能够预知未来的水晶球。未来气候变化、星系撞击、药物设计，这一切都可以在计算机上进行模拟。高性能计算让我们能够更深入地观察问题，解析度和结果的逼真度更高，当然，求得结果的速度也更快。比如天气预报。如果计算机很慢，要想知道明天天气怎样，也许得24个小时。那么运算就失去意义了——24小时后你可以朝窗外看看天气怎样即可。因此，我们要求计算机速度快、求解，这两项指标都得靠高性能运算。

白瑞雪：政府支持也很重要吧？

唐加拉：当然。没有政府支持，别人是很难进行这么大规模投入的。政府通常会对什么样的科学最重要进行排序，对重要科学投以经费。

看看我们的Top500榜单上的机器及其用途，很有意思的一点是，它们中大约一半机器都用于产业界，而不是实验室或大学。它们的使用者是那些有模拟或预报需求并进行运算的公司。这些公司深知高性能计算机的重要性。他们明白，买下这些机器就有了竞争优势。因此，高性能计算机已经超越了通常的科学需求，他们被广泛用于产业界并发挥了积极作用。

白瑞雪："大数据"是这几年的热词。人们对大数据的日益重视是高性能计算发展的良机吧？

唐加拉：是的。数据是高性能计算的驱动力，在高性能计算机上运行的几乎每一项应用都有大数据需求，二者不可分。高性能计算离不开大数据，大数据以及怎样解决大数据带来的一系列挑战，同样离不开高性能计算。今天越来越多的人乐于谈论大数据，其实大数据背后仍然是高性能计算。

白瑞雪：我听说你在Ipad2上运行Linpack，速度相当于1985年世界上最快的超级计算机Cray2。

唐加拉：过去30年发展惊人。高性能计算机的性能每10年提高1000倍，这给我们的工作带来了巨大变化。我手里这台Iphone每秒钟能进行10亿次计算——每秒钟10亿次计算！真是不可思议。当然，今天的超级计算机比Iphone强大得多。

白瑞雪：这在10年前难以想象。

唐加拉：难以想象。更难想象的是10年后会发生什么，10年后的超级计算机又能干些什么。

白瑞雪：如果在高性能计算语境中表述摩尔定律，可以说超级计算机的性能每两年翻一番吗？

唐加拉：我们从广义上将摩尔定律表述为：计算机芯片的性能每18个月翻一番。看看Top500榜单的变化你会发现，超级计算机的性能其实是每14个月就增加一倍，比摩尔定律预言的更快。这是计算机采用了并行处理的结果。

白瑞雪：这个周期将来还可能进一步缩短吗？

唐加拉：不太可能了。总是有尽头的。我搞计算机设计的朋友们认为，至少在未来10年，摩尔定律还将继续有效。

白瑞雪：2010年天河一号成为世界上最快的计算机时，媒体称之为黑马，你则认为它是对美国的警示。如果天河二号下个月真的成为全球最快的计算机，这一次你怎样评价它的成功？

唐加拉：这台机器令人印象深刻，又是一项创新性进步，也许就其投入而言对美国仍然是一种警示。2001年中国在Top500还榜上无名，而今天中国的机器保有量已达到世界第二，实在是令人震撼的变化。此外，天河二号选择了英特尔产品作为主要处理器，但机器内部的互联技术是中国自己的。中国计算机越来越多地采用中国技术，这对美国来说也是一种警示。这表明，高性能计算的发展提升了中国的竞争优势，中国政府正在对这一领域竭尽全力加以投入。

白瑞雪：天河二号为什么这么快？诀窍在于互联技术吗？

唐加拉：高速互联是必需的。大量处理器是计算机速度的基础，但怎样把它们连接在一起同样重要，需要速度很快的互连技术，需要高超的编程技术。

白瑞雪：2010年天河一号夺冠的时候，它是Top500中用GPU作为加速器构建混合结构的机器。而从2012年11月的榜单来看，23台千万亿次级机器中有6台都是混合结构，其中4台用了英伟达的GPU。就方法论而言，这可以说是中国机器带给世界高性能计算的变化吗？

唐加拉：混合结构是个老概念，上个世纪70年代就有了。把两台机器连接起来，就是最早的混合机器。今天，随着部件小型化，处理器集成到了芯片上，加速器集成到了主板上，因此我们不再需要连接两台计算机，而是把芯片和主板连接起来构建混合结构。如你所说，天河一号确实是最早这样做的机器之一。混合是大势所趋。我预言，几年后全球最快的10台计算机都将是混合型的。

白瑞雪：在世界超算经验丰富阵营中，中国这样的新成员加入是否更有利于高性能计算未来的创新发展？

唐加拉：这个领域的竞争非常有益。因为中国的成功，美国也许会警醒从而加大高性能计算领域的投入。或者，日本将此看作他们已经落后的信号，会重新加强高性能计算方面的行动。欧洲同样如此。因此从更广意义上来看，中国的成功有助于推动世界高性能计算进步。

白瑞雪：Top500榜单就像是一场比赛。

唐加拉：我们都想成为及时名。从某种意义上说，这就是场比赛，而我们拥有的计算机就像是奖杯。

当然，怎样使用计算机，才是真正关键所在。我们使用超级计算机是为了更深入洞察科学，发现、探索那些以前在过去无法探索的新事物。每个国家都愿意投入，只是一些国家难以承担巨额费用。在今天的美国，很多工程资金竞争激烈，高性能计算也许不是最靠前的。因此，美国可能无法像中国近年来那样对高性能计算进行持续的资金投入。

欧洲核子研究组织的加速器资金来自多个国家。如果我们也遇到类似情况，也许我们也能够联合各国共同研制计算机，这样将使各方受益。

白瑞雪：那么你看好国际合作前景？

唐加拉：我希望如此。但是，人们为什么不愿意开展国际合作，也许是有很多原因的。超级计算机能干很多事，也能用来提高武器杀伤力。因此我们得小心。美国国家能源部用超级计算机来确保核储备的安全。在这个意义上，超算关乎国家安全。(完)