【中國科學(xué)報】中國超算事業(yè)的第一縷“曙光”
在中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所（以下簡稱計算所）“計算的腳步”歷史展廳，“曙光一號”高性能計算機(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”誕生之前，中國進(jìn)口的高性能計算機(jī)（即超算），只能在“玻璃房”中使用。
“曙光一號”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)，不僅只能以高昂價格購進(jìn)相對低端的產(chǎn)品，就連正常使用也要在對方監(jiān)控之下——部署到中國的高性能計算機(jī)必須安裝在一間透明機(jī)房中，鑰匙由對方掌握，中方人員的一舉一動都在“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！”時任國家科委主任、兩院院士宋健的這句話，又何嘗不是每個中國“計算人”心頭的苦澀。
那時，工作站性能以上的計算機(jī)市場幾乎被國外公司壟斷，雖有一些自行設(shè)計制造的大型計算機(jī)，但大多落后幾代或應(yīng)用極為有限，被譏為“‘公機(jī)’不會下蛋”。中國民族計算機(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“第五代計算機(jī)技術(shù)開發(fā)計劃”。他們希望改進(jìn)計算機(jī)的設(shè)計思想，讓計算機(jī)具有人工智能的能力。該計劃以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“第五代計算機(jī)技術(shù)開發(fā)計劃”影響下，直到1986年，全世界對人工智能技術(shù)發(fā)展都持相當(dāng)樂觀的態(tài)度，各國紛紛制訂國家級人工智能發(fā)展計劃。
是年，我國“863”計劃正式步入歷史舞臺。專家們在討論我國信息技術(shù)領(lǐng)域的計劃時，一致同意把智能計算機(jī)列為一個主題項目（即“306”主題）。1990年3月，國家智能計算機(jī)研究開發(fā)中心（以下簡稱智能中心）依托計算所成立，第二屆智能計算機(jī)專家組成員、計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?！崩顕芑貞洠?dāng)時國家的初衷顯然是要研制智能計算機(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算機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略國際研討會。與會的學(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。
“這次會議對智能中心選擇以通用的并行計算機(jī)為主攻方向起到了重要的推動作用?！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，而是堅持“需求牽引、技術(shù)推動”原則，擬定了863-306主題的發(fā)展計劃綱要，將智能中心的主攻方向確定為“以并行處理為基礎(chǔ)的高性能計算機(jī)系統(tǒng)”。
采用對稱式多處理器共享存儲并行體系結(jié)構(gòu)（即SMP方案）的“曙光一號”，成為這個主攻方向的第一個目標(biāo)。
李國杰還記得，智能中心內(nèi)部最開始把要研制的計算機(jī)命名為“東方一號”。但在紀(jì)念“863”計劃5周年的一次文藝演出活動中，他看到舞臺背景上有“新時代的曙光”字樣，一下子受到觸動。他于是決定，智能中心研制的第一臺計算機(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“干擾項”很多。
計算所原副所長、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)計運(yùn)算控制器主板，而非商品化微處理器。例如，一時風(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方案在性能價格比方面有明顯優(yōu)勢；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)移對我國有利。并且，一旦掌握SMP技術(shù)，易形成高性能計算機(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”計劃的智能計算機(jī)研制任務(wù)在發(fā)展高性能計算機(jī)的行動之中落地。用李國杰的話說，那段歲月，我國是以智能計算機(jī)的名義發(fā)展高性能計算機(jī)。
“30多年過去了，現(xiàn)在來看，當(dāng)時的決策還是正確的?！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實(shí)基礎(chǔ)。
研制“曙光一號”，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算機(jī)設(shè)計經(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”時也只有28歲。
他們可能無暇顧及，“曙光一號”未來的競爭對手是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”采用Motorola M88100微處理器、共享存儲多處理機(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。但是，當(dāng)時國內(nèi)的研發(fā)設(shè)計環(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——派一支小分隊到美國硅谷去研發(fā)！
3?“洋插隊”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”的封閉式研發(fā)。出發(fā)前，李國杰為他們組織了“誓師大會”，臨別贈言只有一句話：“人生能有幾回搏”！
“不做成機(jī)器回來，無臉見江東父老。”小分隊成員也撂下“狠話”。
1992年3月，樊建平等人開始了為期11個月左右的“洋插隊”生活。
小分隊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)交流等活動外，他們大部分時間都生活與工作在這個民居里。
“當(dāng)時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?！崩顕芑貞?，“幾個人擠在一處民居里，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小時以上，沒日沒夜，衣服都不怎么脫。所以，他們才戲稱自己是‘洋插隊’?！?/p>
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。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。
他們的每一天被分成上午、下午、晚上3個工作單元，沒有周末、沒有節(jié)假日，除了睡覺、吃飯、散步，其他睜眼的時間都在工作。近一年的時間里，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”的前途命運(yùn)，是中國計算機(jī)事業(yè)的使命。
在硅谷期間的研發(fā)工作，分為總體方案完善、設(shè)計、生產(chǎn)加工及部分調(diào)試幾個階段。樊建平記得，完善總體方案的那一個多月里，他們與國內(nèi)交流最為密切，通過傳真與國內(nèi)團(tuán)隊圍繞多處理機(jī)中斷控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)不斷進(jìn)行研討。當(dāng)時，智能中心軟件組與硬件組部分人員繼續(xù)配合“曙光一號”硬件及并行程序的設(shè)計，同時抽調(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”的研發(fā)進(jìn)程大大加快。不到半年，“曙光一號”的硬件設(shè)計接近完成。至1992年10月，小分隊完成了主板設(shè)計并進(jìn)入印制電路板（PCB）的設(shè)計和生產(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，這是全對稱多處理機(jī)的關(guān)鍵芯片。這之后，軟件設(shè)計調(diào)試與硬件并行展開。同時，智能中心軟件組對引進(jìn)的UNIX源程序已進(jìn)行近兩年的逐行分析解讀，在參考Encore并行計算機(jī)基礎(chǔ)上，樊建平等人成功研發(fā)中國第一個并行UNIX操作系統(tǒng)，取名為SNIX（Symmetric UNIX），率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)線程級細(xì)粒度并行。
國內(nèi)的研發(fā)團(tuán)隊也在搏命飛奔，在當(dāng)時十分簡陋的科研環(huán)境里，常常工作到很晚。
1993年2月，硅谷小分隊帶著已進(jìn)行初步調(diào)試的幾塊“曙光一號”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”團(tuán)隊不負(fù)眾望，僅用了兩個月，計算機(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)的計算性能測試與優(yōu)化、隋雪青等負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)庫移植與事務(wù)處理測試等工作，也在后來的兩三個月內(nèi)逐一完成。
“曙光一號”成了！
1993年10月，科技部組織國內(nèi)專家學(xué)者對“曙光一號”進(jìn)行成果技術(shù)鑒定，專家們給予了高度評價。時任中國科學(xué)院副院長胡啟恒稱：“‘曙光一號’咬住了國際高性能計算機(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”的進(jìn)展。她在一次接受采訪時回憶起那段經(jīng)歷，非常感慨地說：“‘曙光一號’這一腳踩下去是轟隆隆響的。”
“曙光一號”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”組織宣布解除10億次高性能計算機(jī)對中國的禁運(yùn)?！?63”計劃的主要發(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)寫的報告中指出： “‘曙光一號’研制成功的意義不亞于衛(wèi)星上天?！?/p>
1994年，“曙光一號”作為國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的兩項標(biāo)志性成就之一，被寫入1994年的政府工作報告。
相比此前研發(fā)的計算機(jī)型號，“曙光一號”的研發(fā)僅歷時一年多，研究團(tuán)隊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、研制時間之短、成果商品化程度之高等都與過去形成鮮明對比?？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’帶來的科研經(jīng)驗(yàn)是寶貴的。”李國杰說，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，時任國家科委主任宋健來到智能中心視察，看到“曙光一號”團(tuán)隊的成果“曙光初現(xiàn)”，號召智能中心勇當(dāng)“敢死隊”，“像當(dāng)年劉鄧大軍一樣殺出重圍”。智能中心積極響應(yīng)這一號召，依托“曙光一號”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)槲覀兿氲氖且谑袌錾险加幸幌?，這個目標(biāo)非常明確?！崩顕苷f，“曙光一號”自研制之初，就把產(chǎn)業(yè)化、市場化作為目標(biāo)。
“‘曙光一號’在設(shè)計階段的一個理想就是成為產(chǎn)品，而不僅僅是科研成果，鑒定會就是它的市場推廣會?！狈ㄆ礁嬷?dāng)時，“曙光一號”系列機(jī)型已在教育行業(yè)、信息服務(wù)、行政管理及援外項目等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成功應(yīng)用。
“‘曙光一號’的成功研制，開辟了一條在開放和市場競爭條件下發(fā)展高技術(shù)的新路?！崩顕芸偨Y(jié)，當(dāng)年智能中心對“洋插隊”提出了“兩做、兩不做原則”——完全屬于仿制、沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品不做；只為填補(bǔ)空白、市場上沒有競爭力的產(chǎn)品不做。那做什么呢？集中力量，做國外對我國封鎖的技術(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)堅持。”李國杰說。
以“曙光一號”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)通用高性能計算機(jī)幾乎占領(lǐng)了全部國內(nèi)市場，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”的意義還在于，它闖出了一條市場導(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”知識產(chǎn)權(quán)為基礎(chǔ)成立的中科曙光已成為我國高性能計算的骨干企業(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》?2024-09-09?第4版?專題）