天河二号超级计算机（国防科学技术大学研制的超级计算机系统）

天河二号超级计算机（国防科学技术大学研制的超级计算机系统）

天河二号超级计算机 （国防科学技术大学研制的超级计算机系统） 次浏览 | 2022.06.18 09:53:53 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 天河二号超级计算机国防科学技术大学研制的超级计算机系统

天河二号由中国国防科学技术大学研制的超级计算机系统，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位居榜首，成为全球最快超级计算机。2013年11月18日，国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，“天河二号”以比第二名—美国的“泰坦”快近一倍的速度再度登上榜首。在2014年11月17日公布的全球超级计算机500强榜单中，中国“天河二号”以比第二名美国“泰坦”快近一倍的速度连续第四次获得冠军。2015年5月，“天河二号”上成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。

中文名

天河二号、TH-2

英文名

Tianhe-2、Milkyway-2

属性

超级计算机

开发国家

中国

开发机构

中国国防科技大学

公布时间

2013年5月

世界排名

第四名（截止2018年11月13日）

落户位置

中山大学广州超算中心

使用机构

广州超级计算中心

组成结构

天河2号由16000个节点组成，每个节点有2颗基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692处理器和3个Xeon Phi,累计共有32000颗Ivy Bridge处理器和48000个Xeon Phi,总计有312万个计算核心。

每个Xeon Phi使用其中的57个核心，而不是使用全部的61个，因为使用61个在运算周期协调方面会有问题，而使用57个核心能够加速4个执行线程，并且在每个线程单周期可以达成4Gflops的运算量，运行在1.1GHz的Xeon Phi可以生产1.003 Tflops的双精度运算能力。如果考虑CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2个Ivy Bridge+3个Xeon Phi单个节点可以有3.431 Tflops运算能力，16000个节点总计可达54.9PFlops性能。每个运算节点有64GB主存、而每个Xeon Phi板载8GB内存，因此每个节点共有88GB内存，总计16000个节点一共有1.404 PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB。

在每个主板上有2个计算节点，而每个框架则有16个主板，4个框架组成一个机柜，整个系统由125个机柜组成。每个计算节点主板分为两块，一块CPU一块APU,CPU上有4核Ivy Bridge、内存和一个Xeon Phi协处理器,而APU基板上则承载着5个Xeon Phi协处理器.CPU和APU之间有5个水平插入的链接口，由Ivy Bridge内置的PCI-E 2.0进行连接，虽然Ivy Bridge内置为PCI Express 3.0接口，但Xeon Phi仅支持2.0,单个通路为10Gbps带宽。

计算节点的前端处理器为4096个FT-1500处理器， FT-1500处理器是由国防科技大学为天河1研发，其可以说是天河1项目的最大收获，其为16核心的Sparc V9架构处理器，在40nm工艺情况下运行频率为1.8Ghz,峰值性能为144 Gflops/s,功耗为65W,但相比英特尔22nm 12核 2.2GHz 211Gflops/s性能的Ivy Bridge还是有明显差距。

天河2互联方面采用自主研发的 Express-2 内部互联网络，其为有13个交换机，而每个交换机有576个端口。连接介质为光电混合。具体控制器是名为NRC的ASIC专用目的集成电路，其采用90nm工艺，封装尺寸为17.16x17.16 mm,共有2577引脚。单个NRC的吞吐能力为2.56Tbps.而在终端方面网络接口也采用类似结构的NIC,但规模稍小，为10.76x10.76 mm, 675 pin,其采用PCIE 2.0方式连接，传输速率为6.36GB/s.并且在在12000节点的情况下延迟也很低，仅为85us。

而在计算能力方面，使用14336个节点总计50GB内存进行LINPACK测试，理论性能为49.19Pflops,而实际测试性能为30.65Pflops,效率为62.3%.这个效率并不算高，还有很大优化提升潜力。当然也可能是被Xeon phi仅支持PCI Express 2.0带宽不足限制。

上面测试使用了16000个节点中的14336个，运用了90%的规模，基本可以代表天河2的整体性能表现。天河2的性能部件（处理器、内存、互联）整体功耗为17.6MW,而整体的运算能力为30.65PFlops,这样计算每瓦的性能为1.935Gflops,这个性能/功耗比可以排在超算TOP500的前五，其整体性能/功耗比十分出色。

系统的整体功耗为17.6MW,并且这个功耗还不包括水冷这样的散热系统，如果考虑上整体功耗将高达24MW,广州国家超算中心将采用城市供水系统构建高散热效能的冷却系统，有能力可以提供80KW系统的散热能力。

天河二号超级计算机系统由170个机柜组成，包括125个计算机柜、8个服务机柜、13个通信机柜和24个存储机柜，占地面积720平方米，内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算一千年，其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，天河二号计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相当。与该校此前研制的天河一号相比，二者占地面积相当，天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的三分之一。

主要特点

天河二号是当今世界上运算速度最快的超级计算机，综合技术处于国际领先水平。

它有五大特点：一是高性能，峰值速度和持续速度都创造了新的世界纪录；二是低能耗，能效比为每瓦特19亿次，达到了世界先进水平；三是应用广，主打科学工程计算，兼顾了云计算；四是易使用，创新发展了异构融合体系结构，提高了软件兼容性和易编程性；五是性价比高。

主要性能

2013年6月，天河二号以峰值速度（Rpeak）每秒54,902.4TFLOPS（万亿次浮点运算）、持续速度（Rmax）33,862.7TFLOPS，超越泰坦超级计算机（Rpeak 27,112.5TFLOPS，Rmax 17,590.0TFLOPS），成为当今世界上最快的超级计算机。这个成绩于2013年6月17日提交至TOP500。实际上，在早前的运行测试中，仅使用16,000个运算节点中的90%，亦即14,336个节点，LINPACK运算速度就达到30.65PFLOPS的性能水准，超过前任“泰坦”的74%。国际TOP500组织2013年11月18日公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，“天河二号”以比第二名美国的“泰坦”快近2倍的速度登上榜首。

同样在2013年6月，天河二号以2,061GTEPS的成绩在Graph500上排名第六。Graph500是一个对超级电脑的数据密集型运算处理性能进行的一个排行榜，在此榜单上排位第一的是IBM红杉，成绩是15,363GTEPS。

“天河二号”的系统存储总容量相当于600亿册每册10万字的图书。假设每人每秒钟进行一次运算，“天河二号”运算一小时，相当于13亿人同时用计算器算上1000年。

应用领域

天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、智慧城市、电子商务、云计算与大数据、数字媒体和动漫设计等多个领域，还将广泛应用于大科学、大工程、信息化等领域，为经济社会转型升级提供重要支撑。

天河二号逐步在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理、宇宙、经济学，以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”。此外，国家超算广州中心积极推动国际交流与合作，利用天河二号为国外研究机构提供高性能计算服务。

据悉，科技部近年不断加大对超算应用软件研发的投入。“十二五”以来的相关研发投入已超过2亿元。预计“十三五”期间投入将进一步加大。

根据该专项“面向大规模科学计算的高性能多核CPU”课题计划安排，2011年中国将采用FT-1500CPU构建全自主国产千万亿次计算机——“天河二号”。

2009年，中国首台千万亿次计算机“天河一号”研制成功，运行“核高基”专项支持研制的银河麒麟操作系统，名列当年的国际超级计算机TOP500排行榜世界第五位、亚洲第一位的排名，并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的国家。

相对于上世纪颇负盛名的"两弹一星"。"核高基"专项被誉为中国新时期的"两件(核心电子器件、基础软件)一芯(高端通用芯片)"，主要涵盖了核心的电子器件、高端通用芯片、基础软件产品三个方向；掌握其关键技术并实现产业化对于中国实现以信息化带动工业化、确保国家信息安全至关重要。

在高端通用芯片方向，"核高基"专项重点部署了高性能服务器多核CPU、安全适用计算机CPU及嵌入式CPU；在基础软件产品方向，重点部署了操作系统、数据库、办公软件、中间件、重大信息化应用等基础软件。

前景展望

目标是到2020年，形成中国高端通用芯片和基础软件产品的自主研发与产业体系。面向3G移动通信网络的智能手机嵌入式软件平台以及3G应用网络化运行平台的研发及产业化，"核高基"专项安排了"智能手机嵌入式软件平台研发及产业化"和"面向新型网络应用模式的网络化操作系统"课题，已经取得较大进展。

运算速度以每秒千万亿次计算的超级计算机“天河二号”将进驻广州，它将如何影响我们的生活？国防科学技术大学计算机学院副院长、天河二号工程副总指挥、天河超级计算机系统新闻发言人李楠做客市科信局举办的“珠江科学大讲堂”。

应用多与国家重大工程相关

“所谓超级计算机，就是在同时代里，运算速度达到最高级别的大容量巨型计算机！”李楠比喻：“比如，使用千万亿次超级计算机计算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算20年。”

李楠介绍，超级计算机有五个超级，就是速度超级快、容量超级大、体积超级大、耗电超级多、造价超级贵。“目前，超级计算机的应用已与国计民生密不可分。它的应用多与国家重大工程相关，比如日本的‘京’，主要用于地震海啸预测、生命科学、新药研制，而美国的‘泰坦’主要用于研究气候变迁、核研究、材料科学等等。”

“超级计算机已经变成‘国之重器’，世界各国在超级计算机的研制上竞争激烈。”据介绍，2010年时，我国研制的首台千万亿次超级计算机“天河一号”曾在全球TOP500超级大型计算机排行榜中排名第一，但在2011年时被日本最新研发的超级计算机“京”超越了。到了2012年，美国的“泰坦”又超越了日本的“京”。

可大大提高天气预报准确率

李楠还向在场听众介绍：“超算中心的进驻与老百姓生活也有很大关系。比如超算在天气中的应用，可以大大提高天气预报的准确率，又比如在娱乐产业的应用，阿凡达的电影中，超过三分之二的人物与景象都是通过超级计算机计算出来的。”

所获荣誉排名第一

2010年，中国国防科学技术大学研制的“天河一号”曾在第三十六届超级计算机TOP500榜单上名列第一，2011年时排名第二，2012年排名已下降至第五，我国凭借“天河二号”又重返冠军领奖台。

美国拥有全球500强超级计算机数量的一半以上。而中国大陆共有65个超级计算机进入TOP500的榜单上位居第二。而日本则以30个位列第三。世界上运算速度最快的超级计算机宝座一直被美国、中国、日本三国交替占据。英国、法国和德国分别以29个、23个和19个位列第四至第六位。

美国能源部下属橡树岭国家实验室的“泰坦”从上次第一名降至本次第二名，其运算速度为17.59千万亿次，而“天河二号”的运行速度比它快近一倍。据媒体预测，美国能够挑战“天河二号”的下一台超级计算机预计到2015年才能出现，但业内人士认为，“天河二号”的桂冠也许只能持续几个月，因为美国已经在研发下一代超级计算机。

全球超级计算机TOP500排名榜，是全球最权威的超级计算机榜单，以系统的Linpack实测速度为基准对超级计算机进行排名。

2013年，在德国莱比锡举办的2013年度全球超级计算机技术大会，负责调查有关全球各国研发大型超级计算机排行情况的国际大型超级计算机TOP500组织，公布了最新全球超级计算机TOP500强排行榜榜单；在本次大会上由中国政府国家科技部与中国国防科学技术大学共同研制的名为“天河二号（”又称银河2号）的大型超级计算机以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度成为全球最快的超级计算机。

大会的主办方在大会的新闻发布会上向全世界的媒体公布了有关2013年上半年所做的第一次TOP500调查结果。据此次调查的报告结果显示；计算机，其运行时的平均速度跑出了33.86PFlops的惊人纪录，比原来当今世界上最快的那台来自美国能源部橡树岭国家实验室研发的“泰坦”在速度上还要快上74%！

对比优势

2013年5月，我国研制成功世界上首台5亿亿次(50PFlops)超级计算机——“天河二号”。这是国家863计划在“十二五”高效能计算机重大项目的阶段性成果。天河二号的双精度浮点运算峰值速度已达到了每秒5.49亿亿次，至于Linpack(国际上流行的用于测试高性能计算机浮点计算性能的软件)测试性能则已达到每秒3.39亿亿次。

由中国国防科技大学等单位研制的“天河二号”5亿亿次超级计算机，在体系结构、微异构计算阵列、高速互连网络、加速存储架构、并行编程模型与框架、系统容错设计与故障管理、综合化能耗控制技术以及高密度高精度结构工艺等方面，突破了一系列核心关键技术。

与2010年11月获得TOP500第一的天河一号相比，天河二号峰值计算速度和持续计算速度均提升10倍以上，计算密度(单位面积上的计算能力)提升了10倍以上，系统能效比(单位能耗的计算速度)是天河一号的3倍。

获“三连冠”

2014年6月，由国防科技大学研制并落户国家超级计算广州中心的天河二号超级计算机，23日再次荣登全球超级计算机500强排行榜榜首，获得世界超算“三连冠”。天河二号超级计算机是国防科技大学承担的国家“863”计划和“核高基”国家科技重大专项项目。

此次夺冠，是天河系列超级计算机第四次问鼎世界超算之巅。2010年，天河一号让中国人首次站到了超级计算机的全球最高领奖台上。

超级计算机性能的提高，以服务国家经济社会建设和改善民生为最终目的。目前，天河二号超级计算机在国家超算广州中心已正式投入运行，为120多家用户提供了300多项典型应用计算。同时，为用户培训了一批超算应用技术人才。

天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器算1000年。

借助天河二号的“计算神功”，国产C919大型客机开展了高精度外流场气动计算；中科院上海药物研究所开展了75万个小分子化合物的结合亲和力评估，完成了600多个各类药物的体内外活性测试评价。天河二号适配了广州市电子政务数据管理系统和云盘存储系统等，为智慧城市建设搭建高效可靠的承载平台……

世界超算双料冠军

北京时间2014年20日上午，在美国新奥尔良市召开的世界超级计算机大会上传出喜讯：由国防科技大学研制的天河二号超级计算机系统，在国际TOP500组织首次正式发布的超级计算机高性能共轭梯度（HPCG）基准测试排行榜上，位居世界第一。

此前，由这个组织发布的第44届世界超级计算机500强排行榜中，天河二号位居榜首，获得“四连冠”。

获“五连冠”

2015年7月13日，国际TOP500组织在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布全球超级计算机500强最新榜单,中国“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军。

存在问题速度第一效率落后

天河二号的实用性、效率难令人满意。

2014年6月公布的世界超算500强天河二号计算效率为61.7%，效率排名第一的IBM nx360M4效率高达99.8%，速度排名第四的日本k计算机以93.2%效率排名效率第十八。

高性能处理器缺少

2015年4月9日，美国商务部发布报告，决定拒绝英特尔公司向中国的国家超级计算广州中心出售至强芯片用于天河二号系统升级的申请。国家超级计算长沙中心、广州中心、天津中心和国防科技大学四家国家超算中心被列入出口管制名单。

社会评价

由国际组织“TOP500”编制的新一期全球超级计算机500强榜单今日揭晓，中国入围的超级计算机数量为226台，位列世界第一。这是2017年11月以来，中国超算上榜数量连续第六次位居第一。[1]

TOP500排行榜主要编撰人之一、美国田纳西大学计算机学教授杰克·唐加拉对新华社记者说：“‘天河二号’是一个非常强大的计算系统，它在第一名的位置上再占据一年时间，我也不会感到惊讶。

参考资料