撰文| 盧曉明
圖源| Google & Wikimedia
在“高科技曾被國外壟斷”的恥辱柱上，超算絕對是刻骨銘心的一個。
1980年代，中國還沒有超算自主研發能力，從美國花重金買回超級計算機，但被“隔離”在透明的玻璃房子裡。
房間帶鎖，鑰匙在美國人手中；計算機的啟動密碼，也由美國人控制；且只能用於石油勘探，不許用來計算其他。總之，為了限制中國對超級計算機的用途，只有美國工程師才有權操作，中國人只能隔著玻璃牆，遙望這臺自己花錢買來的機器。
那些年，在超級計算的江湖裡，我們簡直就是裸奔。
聰明自強的中國人，怎能讓別的國家掐住脖子？後來不斷奮發的“技術自研”史中，超算，絕對是其中最揚眉吐氣的一個。
萬苦千辛，翻過“超算自由”這座高山，我們逐漸探索出超算應用的無窮力量。
近幾十年，超算技術的應用不僅涵蓋了軍事、石油、氣象、航天航空等領域，也逐步走進了影視渲染、工業製造和製藥。
就連這次疫情，超算也是“急需品”。
病毒驚人的傳播力，使得科學家必須分秒必爭地與之對戰。使用大規模高性能算力加快藥物的篩查與疫苗研發成為不二之選。疫情期間，阿里雲免費開放高性能計算服務，為十多個公共醫療機構提供支持，涵蓋藥物與疫苗研發、CT篩查和疾控數據系統等，極大推動了疫病防治。
這些都離不開超算的商用成熟和雲超算興起。
前有古人，後有來者。這是超算的故事。
1. 第一臺超級計算機出世：IBM慘敗
高性能計算（HPC, High-performance Computing），也被稱為超級計算（SuperComputing）。
超級計算機之“超級”，一是因為塊頭大，二是解決的問題大。
體積上，它由成百上千，甚至更多的處理器(機)組成，能計算普通PC機和服務器不能完成的大型、複雜課題。
超算界2012年世界冠軍“泰坦”（Titan），有一萬多個最強CPU，再配上GPU、高速網絡等高精尖武器組成，總佔地面積與標準籃球場相當，消耗的電力足以供應一個小型城鎮。
超級計算機可以處理的“大問題”，包括模擬核試驗、石油勘探、預測氣象等等。最早在軍事、航天航空等領域使用，後來開始用於製藥、工業仿真等領域。這也是為何超級計算機會成為國家間的軍備競賽。
據公開資料顯示，“超級計算(Supercomputing)”這一名詞在1929年《紐約世界報》關於“IBM為哥倫比亞大學建造大型報表機(tabulator)的報道”中首次出現，但尚未被廣泛使用。
要講超算故事的開始，IBM是繞不開的巨頭。
1954年，IBM為美國海軍設計了一臺電子管計算機IBM NORC，也是第一代計算機。
12月，在為IBM專門組織的開幕式上，IBM NORC牛X轟轟地展現了在13分鐘內算出π小數點後3089位——一舉打破當時的世界紀錄。
1960年， UNIVAC LARC取代 IBM NORC成為最快的計算機，這是一臺大型機，為“氫彈之父”Edward Teller設計，用來為核武器設計做流體力學模擬。它支持最多兩個CPU（當時被稱為computer）和一個I/O處理器，但實際上建造出來的兩臺機器都只有一個CPU。
不到兩年，全球最快計算機的桂冠，又被IBM 7030奪回。這臺機器是為了滿足Teller需求而而設計，但Teller覺得IBM的方案風險太大，還是選擇更簡單的UNIVAC。
他沒選錯，7030敗得一塌糊塗。
IBM最早承諾，7030的速度至少是上一代704的100倍。過於激進的flag最終落空，性能只提升了30倍。
無奈之下，IBM用減價大處理的方法挽回尷尬，將7030的價格從1350萬美元直降到778萬美元。縱使7030孵化了許多有用的技術，依然被PC World雜誌稱為IT史上最大的項目敗筆。
更讓IBM蒙羞的是，一家規模遠小於他的公司 CDC（Control Data Corporation），在第二年就發佈了一臺性能高三倍的計算機——CDC 6600，每秒執行約300萬次浮點運算。
CDC 6600發佈一週後，IBM時任CEO T.J.Waston Jr寫信給高管：“我瞭解到，研發這個系統（CDC 6600）的實驗室只有34個人，包括清潔工。其中14個工程師，4個程序員，只有一個人有博士學位，還是個資歷尚淺的程序員。”
Waston發出靈魂拷問：我不懂，我不懂在造出最強計算機這事上，我們怎麼會輸給了CDC？！下週週會好好討論一下這件事！
項目經理Stephen Dunwell更是為此而背了個大鍋（後來隨著System 360的成功，Stephen於1966年收到官方致歉並被授予IBM最高榮譽獎“IBM 院士”）。
CDC 6600 太成功了！
今日主流觀點普遍認為，CDC 6600是世界上第一臺超級計算機。直到1969年，它的設計師建造出下一臺計算機之前，CDC 6600一直穩居世界第一。
一個新時代來臨。
Seymour Cray，CDC 6600背後的男人，這個以製造最快計算機為己任的工程師，從此登上歷史舞臺。
接下來十幾年，Cray就是超級計算機的代名詞。
2. 超算之父：偏執狂Seymour Cray
Seymour Cray最早給海軍打工。
二戰期間，美國海軍專門成立了秘密工程師小組，來建造解密機器以破譯敵方密文。
大概就是《模仿遊戲》中，“卷福”神經質地轉動圖靈機儀表盤的畫面。
二戰後，軍費大幅削減，美國海軍越發擔心這解密小組會分崩離析、各自創業，於是便開始幫他們“找活幹”。這群工程師成立了一家外包公司叫ERA，給航空器製造商打過工、造過計算機，最後與一家設備製造商合併。
無奈大公司決策流程漫長，幾位工程師實在受不了項目一拖再拖，終究在1957年9月，辭職創辦了CDC。
Seymour Cray是早期成員之一。
CDC以售賣磁鼓儲存器（drum memory）等子系統起家。而Cray剛來就做了一臺小型晶體管電腦，名為 "CDC小人物" 。
沒想到，這臺“小人物”收穫了大成功，也驗證了Cray關於大型系統設計和晶體管計算機的想法。
接下來的1964年，Cray又為CDC設計了極為成功的1604和160A。
公司管理層希望為1604等產品增加更符合商業用途的功能，比如文字處理等。可是Cray對此不屑一顧。
他深信時代總是需要性能超群的計算機，一心想造出更快的計算機。
Cray給自己定了一個目標——建造比1604快50倍的計算機。
超算之父Seymour Cray
CDC讓Cray就此寫個詳細的年度規劃和五年計劃。Cray大筆一揮：我的五年目標是“造出世界最強大的計算機”，“我第一年計劃就是這條路的1/5”。
請想象當時CEO的心理陰影面積……
這還不夠——迅速發展的CDC管理流程逐漸完善，把Cray拖得只喊心累——他又跟CEO說，我沒法待在公司總部了，我想帶著我的團隊歸隱深林，潛心造機，否則就辭職。
這怎麼能行？！山高皇帝遠，這一走公司還管得著Cray？
然後 CEO就答應了Cray的要求。
經過幾輪拉鋸戰，雙方最終選了一個打電話都嫌貴，但是參加董事會還算湊合的地方——Cray的家鄉。他買了一塊地皮，成立了一個新實驗室。據說Cray選這兒還為了離防空洞近，萬一爆發了核戰爭還能躲躲。
遠離總部這支小Team，Cray很快便有了進展。彼時晶體管技術已相當成熟，用此製造的元件運行得很順利。
他們造出了CDC 6600，讓IBM望塵莫及。
CDC 6600還是第一臺取得巨大商業成績的超級計算機。不但走進了各個核武器實驗室，還走進了各個大學的計算機實驗室，售價237萬美金，總共賣出了超過100臺。以往的超級計算機也就賣個幾臺而已。
沒享受成功多久，Cray又埋頭鑽研下一代機器 CDC7600，希望後者性能十倍於6600。
7600不負眾望，再次成為了全球最快的計算機，最終賣出了50臺——還算成功。
而Cray與CDC卻走到了分道揚鑣之時。在Cray眼中，CDC的經理們平庸無能；CDC則視Cray為不惜代價的偏執狂。
儘管6600和7600取得了巨大的成功，但研發投入的金額讓這家公司幾近破產。下一代機器8600研發遇阻，Cray想重頭再來，CEO Norris不願再冒險了，建議先把資金投到更為順利的STAR-100項目中，等到產品發佈後再把錢給到8600。
某種程度上，CDC的決定也是正確的。Cray出走2年後，STAR-100順利發佈，每秒可進行1億次浮點運算，是當時首批使用向量處理器的計算機。
CDC終究還是沒能留住這名天才。1972年，Cray離開CDC，創辦了自己的公司Cray Research。
3. 自立門戶：超算王者Cray與他的魔法師們
單幹可沒那麼容易。
脫離CDC的Cray Research，一開始很苦惱自己究竟要幹嘛。畢竟造計算機是很燒錢的，而他們沒錢。
但是，設計出了全球最快超級計算機的工程師要自己創業，這事肯定比瑞幸咖啡講的故事可靠譜一千倍，你要是風投，你能不投？
名聲大噪的Cray帶著小夥伴來到華爾街找錢，發現資本就等著他拿自己的錢去搞開發。
四年後，他再次創造歷史——史上最成功的超級計算機Cray-1誕生了，性能跑贏市面上的所有計算機好幾條街！
Cray和Cray-1
這臺計算機引入了大量創新元素，最為奇特是它的C字環形設計，這樣的環型設計讓這樣的環型設計讓電路板更短，從而性能更佳。
Cray-1以近900萬美元/臺的價格，賣出超過80臺。
不用講，公司賺翻了。
Cray這次憑藉著精妙的設計聞名於世，被稱為“齊佩瓦福爾斯的魔法師”（The Wizard of Chippewa Falls）。
一時間，新生的Cray公司風頭無兩，人才濟濟，氣勢如虹。
1982年，Cray公司工程師Steven Chen又設計了雙處理器和四處理器的超級計算機Cray X-MP。
到1983年，Cray和Control Data兩家公司主導著超級計算機市場；儘管IBM在整個計算機市場上處於領先，但在這個賽道卻鎩羽而歸。
作為企業家的Cray，已然是業界領袖；作為工程師的他，卻未必滿意自己1985年交出的答卷。
在Steven Chen團隊研發的X-MP的同時，Cray也帶領著團隊設計Cray-2，經過6年的研發之後，有著四個向量處理器的液冷計算機Cray-2終於面世，但它卻只比X-MP快了一點，屈居全球第二。
Cray-2被泡在裝滿冷卻液的大水箱中，水箱運行時還會冒泡。Cray-2實際上用了全新的、具有開創性的共享內存設計，甚至為今天的基於服務器的SMP系統指明瞭方向，非常適合處理對內存要求巨大的問題，但其內存延遲極高，且編碼難度極大，軟件成本高企，最終銷量平平。
這是Cray本人無法接受的。為了專注研發，他選擇放棄CEO職位，從每日纏身的冗務中抽離出來。
可惜，Cray終究是重蹈覆轍了。他在Cray-3嘗試中使用砷化鎵半導體，該實驗沒有成功。
幸虧Cray Research還未江郎才盡，它還有別的工程師。然而預算有限，公司資金只夠支撐一個項目。最終公司選擇了支持Steve Chen設計的Cray Y-MP——X-MP的改進版。
X-MP於1988年發佈，支持八個矢量處理器，每個處理器的峰值性能為3.3億浮點運算。
4. 1024只雞打敗2只牛：大規模並行計算興起
同樣在1980年代，許多公司開始探索使用大規模並行處理（MPP）技術，實現一臺計算機中使用多個處理器。
MPP技術降低了超級計算機的建造成本，新一代技術浪潮正在席捲，但Cray卻不願接受這種新技術，反而再次沉迷於用砷化鎵造出更快向量處理器。他曾諷刺道：“如果你要耕田，你會選兩隻強壯的牛還是1024只雞？”
不是所有人都和Cray有同樣的想法，比如Thinking Machines。
這家公司創始人Hills是MIT的博士，研究方向是大規模並行計算架構，1983年成立了這家公司，希望把學術成果轉化為一類叫做連接機器（Connection Machine）的超級計算機。
正在運行中的連接機器CM-1
1984年，美國國防部正在尋找可以讓坦克、導彈等武器實現目標識別和自然語言理解的計算機架構，Thinking Machine獲得DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）青睞，拿下了450萬美元的國防合同。如此一來，這家公司的任務便為，在兩年之內建造一臺全球最快的計算機。
傍上了美國國防部，他們很快在1989年就實現了盈利。
第二年，他們又實現了6500萬美元的軟硬件收入，成為了並行超算的領導者，甚至與超算王者Cray Research分庭抗禮。到1993年，世界上最快的四臺計算機，都是Connection Machine。
1990年代已是MPP(Massive Parallel Processing)大爆發的時代，處理器個數由原來的個位數爆炸增長到幾千個。除了Thinking Machine，並行計算機領域還有nCUBE和MasPar等企業，Thinking Machines的CM-2和CM-5兩款超級計算機在市場上都有對標產品。
MMP機器的性價比讓Cray-3全無招架之力，Cray-4雖然能跑到10億赫茲（1 GHz），卻貴得嚇人。隨著冷戰結束與新技術的出現，兩條強壯的牛最終輸給了1024只雞。
巔峰之後，Cray Research急速下滑；經歷了破產、被收購等變故，命運多舛卻頑強堅持，直至今日依然是超級計算機領域的巨頭之一。Cray後續又成立了新公司SRC，開始研發大規模並行計算，可惜明天和意外不一定哪個先到來，項目啟動後不久，他就在車禍中喪生了。
一個時代隨之結束。
Thinking Machine也好景不長，1991年，DARPA 和美國能源部都因輿論壓力而減少採購他們的產品，收緊的政策更令最強的Connection Machine出口無門。1992年，公司開始虧錢，CEO下臺，到了1994年，公司破產，而後便是一系列被巨頭收購的命運。
5. 日本崛起，美國反擊：“平民化”超算集群誕生
當美國超算界陷入內耗時，日本超算開始崛起。
NEC、富士和日立等企業繼承了Cray的遺志，建造出基於向量處理器的超級計算機。
NEC生產的SX-3/44R有四個處理器，成了1990年全球最快的超級計算機。
1994年到1996年，富士的Numerical Wind Tunnel是全球最快的超級計算機，一共用了166張向量處理器，每張卡每秒能做17億次浮點運算。
日立的SR2201 在也1996年憑藉2048塊用高速3D交錯式網絡連接的處理器，實現了每秒6000億次浮點運算的峰值。
Cray的消逝讓日本在超算領域一枝獨秀，美國能源部坐不住了，總不能以後都買日本人的超算吧？！
於是，美國將超算上升為國家戰略。以ASCI（Accelerated Strategic Computing Initiative）——一個專門處理核武器模擬的計劃——撥款支持IBM和Intel全球首臺T（ teraFLOPS，每秒萬億次浮點運算 ）級別的超級計算機。
20世紀最頂尖的超級計算機ASCI Red，將在國家力量支持下誕生。
在Intel拿著國家補貼時，NASA一支缺錢的外包隊伍，其中有Don Becker和Thomas Sterling等成員，正在用一大堆通用商業硬件搗鼓著他們的“超級計算器”——16塊286DX處理器，加一條10兆帶寬的以太網網線組成的Beowulf集群。
這群外包團隊自己也沒想到，他們建立的，看起來有點簡陋的Beowulf集群，就是今天最主流、最廣泛使用的超級計算機設計——Linux高性能計算集群。
當然，今天的Beowulf集群都是用IB網絡、千兆級帶寬等高速網絡連接，數萬個處理器在大規模分佈式並行程序調度下有條不紊地配合，存儲用SAN、NAS和並行文件系統。
這種通用硬件+通用操作系統的思路，打破了原有的MPP超級計算機的單獨定製門檻，讓“堆機器”成了新玩法——只要你的設備夠多，用手機也能連出一臺超級計算機。
在旁邊吃瓜的Intel覺得這想法不錯，加上Intel之前造出過一臺MIMD（多指令多數據）機器Intel Paragon，那還是1993年最快的機子——MIMD+Beowulf集群說不定能創造出非常便宜的超級計算機，而且還不用定製的向量處理器。沿著這個路子，後來的Intel成為壟斷超算芯片的霸主，這是後話。
眼下，IBM要翻盤了。
ASCI Red 圖源：Wikimedia
1996年，IBM推出ASCI Red。
它用了超過6000張200-MHz頻率的奔騰處理器，突破每秒萬億級運算的大關。之後很多年，它都還是全球最快與最可靠的超級計算機。
ASCI Red驗證了集群的路徑，也讓超級計算機未來的方向與市場更為了然。
全球超算TOP500榜單于1993年建立，而後每半年更新一次，為超級計算機供應商和客戶提供了標準，也展現了高性能計算更清晰的發展路線。
6. 科技強國夢：中國超算的逆襲
面對奔騰而至的技術大創新，中國人自然不能缺席。
但畢竟與外界隔斷許久，中國超算起於一片荒蕪，需要從美國進口，而後者對超級計算機的出口嚴格限制。
“80、90年代，國際對中國大型計算機實行禁運，中國人不許購買。”曙光公司總裁歷軍曾在接受人民網採訪時回憶道。
中國石油工業部物探局輾轉幾道，終於買到了一臺IBM大型機。後來就有了“玻璃房子”事件，激勵了一代科研人員。
參與“天河二號”的工程師坦言，起初沒工資、待遇低，白天在高溫下扛機櫃電纜，晚上研發測試，日以繼夜地工作，只望一雪前恥。
1983年12月，由國防科技大學研發的“銀河一號”研製成功。這是中國第一臺每秒運算1億次以上的計算機——縱然僅為美國機器70年代的速度，仍然是我國超算演進史中的里程碑，並參加了國慶檢閱。
銀河二三四號在1994年到2000年間相繼面世，算力提升到1萬億次。中國也因此，成為少數能發佈5至7天中期數值天氣預報的國家之一。
中科院計算技術研究所也在1992年開始研製“曙光”系列，曙光一號是中國首款基於通用微處理器的並行計算機。
2010年，國防科技大學研發出“天河一號”升級版“天河一號A”，首次登上了全球超級計算機TOP500的榜首，但優勢轉瞬即逝——8個月之後，擂主之位被日本打下。外界不禁質疑，中國超算的領先不過曇花一現。
三年後，中國的科學家用實力回擊。“天河二號”於2013年稱霸榜首，並於接下來的三年裡蟬聯六次冠軍。天河系列是首次採用GPU加速的超級計算機。GPU長於並行運算，配合上擅長邏輯運算的CPU，大大提升了性能。
被打下來的美國超級計算機泰坦（Titan），只當了7個月冠軍。
美國急了。2015年，美國商務部宣佈對中國四家超算單位禁售處理器芯片。天河2使用的是Intel的CPU和眾核處理器。斷供讓中國超算成了無米之炊。
這招夠狠。但是也激發中國自研，最終來了一記反殺。
“神威·太湖之光”於次年面世，此後實現了“四連冠”。它配備超4萬個中國自主研發的“申威26010”眾核處理器，採用了64位自主申威指令系統，速度比天河二號快兩倍。
同年，高性能領域的最高成就“戈登·貝爾”獎，頒給了“神威·太湖之光”上運行的全球大氣非靜力雲分辨模擬應用。
2013-2017年，中國佔據了超算巔峰5年，成為該領域一顆耀眼新星。
面對壓力，美國的能源部於2014年啟動超算計劃 CORAL（ Collaboration of Oak Ridge, Argonne, and Lawrence Livermore），投入5.25億美元，誓要奪回領頭羊之位。
CORAL計劃中，三個國家實驗室共同招標，建造四臺超級計算機，IBM+英偉達+Mellanox和Intel+Cray兩個組合，分別建造了兩臺超級計算機。美國憑藉Summit如願在2018年奪冠。
競爭還在繼續。
但一時勝負並非終極目標。爭奪“第一”只是秀肌肉，超算終歸還是要服務產業，超算技術的未來，是為各行各業創造價值。
在美國和日本，超算已經普遍進入汽車、飛機、航天、電影甚至零售行業，細至如何包裝薯片，都在利用超算模擬解決。而在中國，超算的普及與推廣才剛剛開始。
“最快”的超級計算機變得越發昂貴，動輒數億美元，只能由公共財政資助。當國家在支撐著銀河、天河、神威等中國超算“上天”的同時，產業界也在推動超算“下凡”，讓更多的企業享受到超算這種尖端技術帶來的紅利。
阿里雲高性能計算負責人何萬青曾參與天河系列的建設，如今投身雲超算。
“早年間，業內有人提出讓高性能計算更為易用，通過高性能計算上雲實現HPC-as-a- Service（HaaS)。但計算、存儲、網絡都要達到超算的標準並不容易。”何萬青說。
但是阿里雲做到了。
傳統超算往往使用物理機，而云服務器則因虛擬化產生了性能損失，導致雲上做高性能計算並不經濟。阿里雲則通過自研的神龍架構，將虛擬化損耗降為零，獲得物理機般的高性能，又能與阿里雲存儲等基礎設施兼容。
2017年，阿里雲基於神龍服務器，加上低延遲、高帶寬的網絡與雲存儲等產品，開發了一套超級計算集群SCC。
何萬青分析，工業製造、影視渲染和生命科學等行業在使用超算時，可能會產生許多問題：比如對算力需求變化大難以馬上滿足、部署環境和調優週期長、縮擴容困難和無法提供工業計算所需穩定性SLA等等。
阿里雲超算天然具有“彈性”和“運維自動化”的特點。雲本身可選擇按使用量計費，自動伸縮的功能，可以根據作業量自動釋放或部署節點；而且配備了自動調優；同時集成了豐富的軟件。
超算上雲了，也下凡了。
在2018年的雲棲大會上，阿里雲超算現場展示了，現代汽車製造業如何利用雲上高性能實現工業仿真。
這次演示背後是阿里雲SCC超級計算集群+E-HPC彈性高性能計算服務：使用SCC，結合E-HPC創建集群及集諦性能分析等操作流程，以可視化的形式展示ANSYS流體動力學軟件基於SCC和E-HPC進行求解運算後的結果。
阿里雲超算稱其為“每一個企業都用得起的數值風洞”。
過去汽車的風洞測試大多需要龐大的機器才能完成，基於阿里雲的風洞仿真能力，汽車企業能夠以更低成本完成風洞實驗，整體效率提升25%。
除了工業仿真，阿里雲超算還應用到了生命科學、影視渲染和芯片仿真等領域。
《流浪地球》製作方MORE VFX等多家影視後期特效製作公司，就用此實現了雲端渲染，大大提升效率；大連化物所國家重點實驗室使用E-HPC集群做分子動力學仿真計算，相對上一代GPU集群效率提升200% 。
如今，作為現代藥物的重要計算底座，高性能計算成為人類抗擊疫情的重要武器。
疫情初期，阿里雲便宣佈向全球公共科研機構，免費開放一切AI算力，支持藥物研發、CT醫學圖像AI診斷、傳染病人疾控數據系統建設等，幫助科研機構縮短研發週期和診斷所需時間。
新藥研發中最重要的一環便是尋找對靶點有效的化合物。不同於以往費時費力的化學實驗，人工智能和超算的發展，讓科研機構可以通過計算機進行化合物虛擬篩選。
目前，阿里雲已經為北京大學、清華大學等國內13家機構免費提供高性能算力等支持。
讓超算性能再上一重天，讓技術落地更多行業，技術人從未停息。
維基百科，IBM官網，inc、hpe等國外媒體，電腦報、人民網等國內媒體，阿里雲官網及媒體對其採訪，書籍《CUDA Programming》
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