天河二号超级计算机(2013年发布的超级计算机系统)

天河二号超级计算机由中国国防科技大学与浪潮集团共同研发的超级计算机，其于2013年底在国家超算广州中心投入运行，并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，成为2013年全球运算速度最快的超级计算机。

天河二号超级计算机由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。并装备了32000个英特尔Ivy Bridge Xeon中央处理器和48000个英特尔Xeon Phi协处理器，是截至2013年世界上最大规模采用英特尔Xeon Phi协处理器的超级计算机。其综合技术处于国际领先水平，研制过程中突破了新型异构多态体系结构等九大核心关键技术，具有高性能、低能耗、应用广、易使用和性价比高等五大特点，天河二号自2013年发布以来，对其系统进行了升级，总核心数也由3,120,000增加到了4,981,760。

2013年6月至2015年11月，“天河二号”连续6次蝉联世界超级计算机500强排行榜第一。截至2024年，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、云计算与大数据、数字媒体等多个领域。

历史沿革

研发背景

1983年12月，国防科技大学计算机研究所成功研制了我国第一台每秒钟运算超过1亿次的“银河”巨型计算机。1992年，运算速度达到每秒10亿次的“银河Ⅱ”在长沙市问世。1997年，运算速度达到每秒100亿次的“银河Ⅲ”巨型计算机也在长沙成功推出。2010年，国家超级计算天津中心的“天河一号”首次拿下了全球榜单冠军，但其于2012年的排名掉到了第80位。

研发历程

作为中国科技部“十二五”863重大项目立项研制的项目，天河二号从2008年开始研制，按两期工程实施，其二期系统于2012年8月在国家超级计算天津中心升级完成，其由廖湘科等人完成设计，并由280人历时两年多研制完成，耗资约1亿美元，最终于2013年底在国家超算广州中心投入运行，为120多家用户提供了300多项典型应用计算。2013年至2015年，“天河二号”连续6次蝉联世界超级计算机500强排行榜第一。“天河二号”于2013年研制成功后便以5.46亿亿次/秒运算速度刷新了超算领域的世界纪录。

2015年5月，由北京师范大学、国防科技大学、加拿大理论天体物理研究所、北京大学、中科院高能物理研究所联合组成的宇宙中微子数值模拟团队，经过一系列技术攻关，在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。

2015年4月9日，美国商务部发布报告称决定拒绝英特尔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也被列入了出口管制名单，这促使中国展开了自主设计的道路。2016年6月，天河二号的运算记录才被中国研制的“神威·太湖之光超级计算机”打破。

2018年9月11日，国防科技大学吴俊杰团队与上海交通大学金贤敏合作，在国际上最先开启了称霸标准的研究，他们在天河二号超级计算机上完成了萨特延德拉·玻色采样问题的核心难题——积和式的求解。实际测试的问题规模达到48个光子，并推断出“天河二号”模拟50个光子的玻色采样需要约100分钟。

2019年11月4日，国防科技大学计算机学院吴俊杰带领的QUANTA团队，联合信息工程大学等国内外科研机构，提出了量子计算模拟的新算法。该算法在天河二号超级计算机上的测试性能达到国际领先水平，谷歌的工作也引用了这项结果的预印版论文。并于当天在国际期刊《物理评论快报》正式在线发表了该成果。

2024年6月，全球超级计算机500强榜单的最新榜单中，天河二号排名第16位。

研发团队

设计团队

研制单位

天河二号由国防科技大学和浪潮集团进行研制，天河二号的主板、机架与机柜均由浪潮集团制造。它采用了数万枚英特尔的“至强”中央处理器和中国国产的FT-1500核心处理单元，与此同时国防科大则开发了其使用的麒麟Linux编程语言。

基本设计

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。

技术参数

硬件配置

软件架构

性能

天河二号在运算加速上，使用基于英特尔集成众核架构的Xeon Phi 31S1P协处理器，运行时钟为1.1GHz，每个使用61个核心中的57个（因为使用61个会存在运算周期协调问题），每核心籍由特殊的超线程技术能运作4个线程，产生峰值性能为1.003TFLOPS。

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），成为当时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。

能耗

天河二号整机功耗17,808千瓦，在搭载水冷散热系统以后，功耗将达到24兆瓦，无论水冷系统的搭载与否，都是目前TOP500里功耗最大的以6月17日公布的数据推算，每瓦性能为1.901GFLOPS，仍不及泰坦的每瓦2.143GFLOPS和IBM红杉每瓦2.177GFLOPS的成绩，但比"京"的每瓦0.830GFLOPS每和天河一号每瓦仅0.668GFLOPS都要高不少。

连接

天河二号使用光电混合传输技术（Doeon Optoelectronics Hybrid Transport Technology），使用自制的TH Express-2主干拓扑结构网络连接，以13个大型路由器通过576个连接端口以光电传输介质与各个运算节点互联，控制器名为NRC，使用90纳米制程，单个控制器的数据吞吐量2.56Tbps，终端网络接口使用名为NIC的控制器，以PCI-E 2.0接口链接，数据传送速率6.36GB/s。

主要特点

天河二号创新性地应用了新型异构多态体系结构，这不仅强化了科学与工程计算的能力，还能高效支持大数据处理、高吞吐率及高安全性的信息服务等多种应用需求。该系统设计了微异构计算阵列和新型并行编程模型及框架，提升了应用软件的兼容性、适用性和易用性。天河二号的服务阵列采用了在国家核高基重大专项支持下，由国防科技大学研发的新一代“FT-1500”CPU。此外，天河二号在高速互连、新型层次式加速存储架构、容错设计与故障管理、综合能效控制、高密度高精度结构工艺等方面也取得了一系列创新和突破。

综合而言，天河二号具有五大特点：

发展方向

天河二号的目标是到2020年，使中国形成高端通用芯片和基础软件产品的自主研发与产业体系。天河二号还在3G移动通信网络方面，对"核高基"专项开展了"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，并取得了显著进展。这些项目推动了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和产业化。

存在问题

能耗难题

天河二号的计算节点的能耗约为18兆瓦，加上散热系统的话，其整体能耗在20兆瓦以上。如果正常运行，天河二号每年的电费就会超过1亿元，年耗电量约为2亿度。

芯片缺失

2015年4月9日，美国商务部发布报告，决定拒绝英特尔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。

获得荣誉

榜单表现

全球超级计算机500强榜单始于1993年，其每半年发布一次，是给全球已安装的超级计算机排座次的知名榜单。2024年6月，其发布的最新榜单中，天河二号排名第16。

应用领域

截至2024年，天河二号超级计算机已在多个领域发挥了重要作用，包括生物医药、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、数字媒体及动漫设计等。同时，它还在大科学、大工程和信息化等领域得到广泛应用，为经济社会的转型升级提供了重要支持。

在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理学、宇宙科学、经济学等领域，天河二号正逐步展现其强大的能力，尤其是在大型基因组组装、基因测序和污染治理等关乎国家经济与民生的重要项目中。此外，国家超算广州中心还积极促进国际交流与合作，利用天河二号为海外研究机构提供高性能计算服务。

具体应用的例子包括C919大型客机开展的高精度外流场气动计算；中科院上海药物研究所开展的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。天河二号还适配了广州市电子政务数据管理系统和云盘存储系统等。

影响贡献

截至2019年初，天河二号的应用已覆盖中国几乎所有省市区域，并产生了全球影响。通过科学的运维工作，天河二号在高负荷下实现了全年稳定运行，平均每天完成超过3万个作业；系统利用率峰值达到85.8%，平均利用率为72%。天河二号成为全球用户数量最多、利用率最高的超算系统之一。

天河二号作为全球首个实现收支平衡并略有盈余的超级计算机，不仅提供基本的计算服务，还助力企业转型升级，提升研发效率和市场竞争力。初步统计显示，“天河二号”为各类企业节省研发投入上亿元，并带来了超过30亿元的相关经济效益。除此之外，天河二号的多项自主关键技术为世界超级计算机的发展史做出了来自中国的贡献。