天河二號由中國國防科學技術大學研制的超級計算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全球最快超級計算機。2013年11月18日，國際TOP500組織公布了最新全球超級計算機500強排行榜榜單，“天河二號”以比第二名—美國的“泰坦”快近一倍的速度再度登上榜首。在2014年11月17日公布的全球超級計算機500強榜單中，中國“天河二號”以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續(xù)第四次獲得冠軍。2015年5月，“天河二號”上成功進行了3萬億粒子數(shù)中微子和暗物質(zhì)的宇宙學數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進程。

組成結(jié)構(gòu)

天河2號由16000個節(jié)點組成，每個節(jié)點有2顆基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692處理器和3個Xeon Phi,累計共有32000顆Ivy Bridge處理器和48000個Xeon Phi,總計有312萬個計算核心。

每個Xeon Phi使用其中的57個核心，而不是使用全部的61個，因為使用61個在運算周期協(xié)調(diào)方面會有問題，而使用57個核心能夠加速4個執(zhí)行線程，并且在每個線程單周期可以達成4Gflops的運算量，運行在1.1GHz的Xeon Phi可以生產(chǎn)1.003 Tflops的雙精度運算能力。如果考慮CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2個Ivy Bridge+3個Xeon Phi單個節(jié)點可以有3.431 Tflops運算能力，16000個節(jié)點總計可達54.9PFlops性能。每個運算節(jié)點有64GB主存、而每個Xeon Phi板載8GB內(nèi)存，因此每個節(jié)點共有88GB內(nèi)存，總計16000個節(jié)點一共有1.404 PB內(nèi)存，而外部存儲器容量方面更是高達12.4PB。

在每個主板上有2個計算節(jié)點，而每個框架則有16個主板，4個框架組成一個機柜，整個系統(tǒng)由125個機柜組成。每個計算節(jié)點主板分為兩塊，一塊CPU一塊APU,CPU上有4核Ivy Bridge、內(nèi)存和一個Xeon Phi協(xié)處理器,而APU基板上則承載著5個Xeon Phi協(xié)處理器.CPU和APU之間有5個水平插入的鏈接口，由Ivy Bridge內(nèi)置的PCI-E 2.0進行連接，雖然Ivy Bridge內(nèi)置為PCI Express 3.0接口，但Xeon Phi僅支持2.0,單個通路為10Gbps帶寬。

計算節(jié)點的前端處理器為4096個FT-1500處理器， FT-1500處理器是由國防科技大學為天河1研發(fā)，其可以說是天河1項目的最大收獲，其為16核心的Sparc V9架構(gòu)處理器，在40nm工藝情況下運行頻率為1.8Ghz,峰值性能為144 Gflops/s,功耗為65W,但相比英特爾22nm 12核 2.2GHz 211Gflops/s性能的Ivy Bridge還是有明顯差距。

天河2互聯(lián)方面采用自主研發(fā)的 Express-2 內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡，其為有13個交換機，而每個交換機有576個端口。連接介質(zhì)為光電混合。具體控制器是名為NRC的ASIC專用目的集成電路，其采用90nm工藝，封裝尺寸為17.16×17.16 mm,共有2577引腳。單個NRC的吞吐能力為2.56Tbps.而在終端方面網(wǎng)絡接口也采用類似結(jié)構(gòu)的NIC,但規(guī)模稍小，為10.76×10.76 mm, 675 pin,其采用PCIE 2.0方式連接，傳輸速率為6.36GB/s.并且在在12000節(jié)點的情況下延遲也很低，僅為85us。

而在計算能力方面，使用14336個節(jié)點總計50GB內(nèi)存進行LINPACK測試，理論性能為49.19Pflops,而實際測試性能為30.65Pflops,效率為62.3%.這個效率并不算高，還有很大優(yōu)化提升潛力。當然也可能是被Xeon phi僅支持PCI Express 2.0帶寬不足限制。

上面測試使用了16000個節(jié)點中的14336個，運用了90%的規(guī)模，基本可以代表天河2的整體性能表現(xiàn)。天河2的性能部件（處理器、內(nèi)存、互聯(lián)）整體功耗為17.6MW,而整體的運算能力為30.65PFlops,這樣計算每瓦的性能為1.935Gflops,這個性能/功耗比可以排在超算TOP500的前五，其整體性能/功耗比十分出色。

系統(tǒng)的整體功耗為17.6MW,并且這個功耗還不包括水冷這樣的散熱系統(tǒng)，如果考慮上整體功耗將高達24MW,廣州國家超算中心將采用城市供水系統(tǒng)構(gòu)建高散熱效能的冷卻系統(tǒng)，有能力可以提供80KW系統(tǒng)的散熱能力。

天河二號超級計算機系統(tǒng)由170個機柜組成，包括125個計算機柜、8個服務機柜、13個通信機柜和24個存儲機柜，占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運行功耗17.8兆瓦。天河二號運算1小時，相當于13億人同時用計算器計算一千年，其存儲總?cè)萘肯喈斢诖鎯γ績?0萬字的圖書600億冊。相比此前排名世界第一的美國“泰坦”超級計算機，天河二號計算速度是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相當。與該校此前研制的天河一號相比，二者占地面積相當，天河二號計算性能和計算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，執(zhí)行相同計算任務的耗電量只有天河一號的三分之一。

主要特點

天河二號是當今世界上運算速度最快的超級計算機，綜合技術處于國際領先水平。

它有五大特點：一是高性能，峰值速度和持續(xù)速度都創(chuàng)造了新的世界紀錄；二是低能耗，能效比為每瓦特19億次，達到了世界先進水平；三是應用廣，主打科學工程計算，兼顧了云計算；四是易使用，創(chuàng)新發(fā)展了異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)，提高了軟件兼容性和易編程性；五是性價比高。

主要性能

2013年6月，天河二號以峰值速度（Rpeak）每秒54,902.4TFLOPS（萬億次浮點運算）、持續(xù)速度（Rmax）33,862.7TFLOPS，超越泰坦超級計算機（Rpeak 27,112.5TFLOPS，Rmax 17,590.0TFLOPS），成為當今世界上最快的超級計算機。這個成績于2013年6月17日提交至TOP500。實際上，在早前的運行測試中，僅使用16,000個運算節(jié)點中的90%，亦即14,336個節(jié)點，LINPACK運算速度就達到30.65PFLOPS的性能水準，超過前任“泰坦”的74%。國際TOP500組織2013年11月18日公布了最新全球超級計算機500強排行榜榜單，“天河二號”以比第二名美國的“泰坦”快近2倍的速度登上榜首。

同樣在2013年6月，天河二號以2,061GTEPS的成績在Graph500上排名第六。Graph500是一個對超級電腦的數(shù)據(jù)密集型運算處理性能進行的一個排行榜，在此榜單上排位第一的是IBM紅杉，成績是15,363GTEPS。

“天河二號”的系統(tǒng)存儲總?cè)萘肯喈斢?00億冊每冊10萬字的圖書。假設每人每秒鐘進行一次運算，“天河二號”運算一小時，相當于13億人同時用計算器算上1000年。

應用領域

天河二號已應用于生物醫(yī)藥、新材料、工程設計與仿真分析、天氣預報、智慧城市、電子商務、云計算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體和動漫設計等多個領域，還將廣泛應用于大科學、大工程、信息化等領域，為經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級提供重要支撐。

天河二號逐步在生命科學、材料科學、大氣科學、地球物理、宇宙、經(jīng)濟學，以及大型基因組組裝、基因測序、污染治理等一系列事關國計民生的大科學、大工程中“大顯身手”。此外，國家超算廣州中心積極推動國際交流與合作，利用天河二號為國外研究機構(gòu)提供高性能計算服務。

據(jù)悉，科技部近年不斷加大對超算應用軟件研發(fā)的投入?！笆濉币詠淼南嚓P研發(fā)投入已超過2億元。預計“十三五”期間投入將進一步加大。

根據(jù)該專項“面向大規(guī)模科學計算的高性能多核CPU”課題計劃安排，2011年中國將采用FT-1500CPU構(gòu)建全自主國產(chǎn)千萬億次計算機——“天河二號”。

2009年，中國首臺千萬億次計算機“天河一號”研制成功，運行“核高基”專項支持研制的銀河麒麟操作系統(tǒng)，名列當年的國際超級計算機TOP500排行榜世界第五位、亞洲第一位的排名，并使中國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。

相對于上世紀頗負盛名的"兩彈一星"。"核高基"專項被譽為中國新時期的"兩件 - 核心電子器件、基礎軟件一芯 - 高端通用芯片"，主要涵蓋了核心的電子器件、高端通用芯片、基礎軟件產(chǎn)品三個方向；掌握其關鍵技術并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化對于中國實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化、確保國家信息安全至關重要。

在高端通用芯片方向，"核高基"專項重點部署了高性能服務器多核CPU、安全適用計算機CPU及嵌入式CPU；在基礎軟件產(chǎn)品方向，重點部署了操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、辦公軟件、中間件、重大信息化應用等基礎軟件。

前景展望

目標是到2020年，形成中國高端通用芯片和基礎軟件產(chǎn)品的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系。面向3G移動通信網(wǎng)絡的智能手機嵌入式軟件平臺以及3G應用網(wǎng)絡化運行平臺的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，"核高基"專項安排了"智能手機嵌入式軟件平臺研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化"和"面向新型網(wǎng)絡應用模式的網(wǎng)絡化操作系統(tǒng)"課題，已經(jīng)取得較大進展。

運算速度以每秒千萬億次計算的超級計算機“天河二號”將進駐廣州，它將如何影響我們的生活？國防科學技術大學計算機學院副院長、天河二號工程副總指揮、天河超級計算機系統(tǒng)新聞發(fā)言人李楠做客市科信局舉辦的“珠江科學大講堂”。

應用多與國家重大工程相關

“所謂超級計算機，就是在同時代里，運算速度達到最高級別的大容量巨型計算機！”李楠比喻：“比如，使用千萬億次超級計算機計算1小時，相當于13億人同時用計算器計算20年。”

李楠介紹，超級計算機有五個超級，就是速度超級快、容量超級大、體積超級大、耗電超級多、造價超級貴。“目前，超級計算機的應用已與國計民生密不可分。它的應用多與國家重大工程相關，比如日本的‘京’，主要用于地震海嘯預測、生命科學、新藥研制，而美國的‘泰坦’主要用于研究氣候變遷、核研究、材料科學等等。”

“超級計算機已經(jīng)變成‘國之重器’，世界各國在超級計算機的研制上競爭激烈?！睋?jù)介紹，2010年時，我國研制的首臺千萬億次超級計算機“天河一號”曾在全球TOP500超級大型計算機排行榜中排名第一，但在2011年時被日本最新研發(fā)的超級計算機“京”超越了。到了2012年，美國的“泰坦”又超越了日本的“京”。

可大大提高天氣預報準確率

李楠還向在場聽眾介紹：“超算中心的進駐與老百姓生活也有很大關系。比如超算在天氣中的應用，可以大大提高天氣預報的準確率，又比如在娛樂產(chǎn)業(yè)的應用，阿凡達的電影中，超過三分之二的人物與景象都是通過超級計算機計算出來的?！?/p>

所獲榮譽

排名第一

2010年，中國國防科學技術大學研制的“天河一號”曾在第三十六屆超級計算機TOP500榜單上名列第一，2011年時排名第二，2012年排名已下降至第五，我國憑借“天河二號”又重返冠軍領獎臺。

美國擁有全球500強超級計算機數(shù)量的一半以上。而中國大陸共有65個超級計算機進入TOP500的榜單上位居第二。而日本則以30個位列第三。世界上運算速度最快的超級計算機寶座一直被美國、中國、日本三國交替占據(jù)。英國、法國和德國分別以29個、23個和19個位列第四至第六位。

美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室的“泰坦”從上次第一名降至本次第二名，其運算速度為17.59千萬億次，而“天河二號”的運行速度比它快近一倍。據(jù)媒體預測，美國能夠挑戰(zhàn)“天河二號”的下一臺超級計算機預計到2015年才能出現(xiàn)，但業(yè)內(nèi)人士認為，“天河二號”的桂冠也許只能持續(xù)幾個月，因為美國已經(jīng)在研發(fā)下一代超級計算機。

全球超級計算機TOP500排名榜，是全球最權威的超級計算機榜單，以系統(tǒng)的Linpack實測速度為基準對超級計算機進行排名。

2013年，在德國萊比錫舉辦的2013年度全球超級計算機技術大會，負責調(diào)查有關全球各國研發(fā)大型超級計算機排行情況的國際大型超級計算機TOP500組織，公布了最新全球超級計算機TOP500強排行榜榜單；在本次大會上由中國政府國家科技部與中國國防科學技術大學共同研制的名為“天河二號（”又稱銀河2號）的大型超級計算機以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度成為全球最快的超級計算機。

大會的主辦方在大會的新聞發(fā)布會上向全世界的媒體公布了有關2013年上半年所做的第一次TOP500調(diào)查結(jié)果。據(jù)此次調(diào)查的報告結(jié)果顯示；計算機，其運行時的平均速度跑出了33.86PFlops的驚人紀錄，比原來當今世界上最快的那臺來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的“泰坦”在速度上還要快上74%！

對比優(yōu)勢

2013年5月，我國研制成功世界上首臺5億億次 - 50PFlops超級計算機——“天河二號”。這是國家863計劃在“十二五”高效能計算機重大項目的階段性成果。天河二號的雙精度浮點運算峰值速度已達到了每秒5.49億億次，至于Linpack - 國際上流行的用于測試高性能計算機浮點計算性能的軟件測試性能則已達到每秒3.39億億次。

由中國國防科技大學等單位研制的“天河二號”5億億次超級計算機，在體系結(jié)構(gòu)、微異構(gòu)計算陣列、高速互連網(wǎng)絡、加速存儲架構(gòu)、并行編程模型與框架、系統(tǒng)容錯設計與故障管理、綜合化能耗控制技術以及高密度高精度結(jié)構(gòu)工藝等方面，突破了一系列核心關鍵技術。

與2010年11月獲得TOP500第一的天河一號相比，天河二號峰值計算速度和持續(xù)計算速度均提升10倍以上，計算密度 - 單位面積上的計算能力提升了10倍以上，系統(tǒng)能效比 - 單位能耗的計算速度是天河一號的3倍。

獲“三連冠”

2014年6月，由國防科技大學研制并落戶國家超級計算廣州中心的天河二號超級計算機，23日再次榮登全球超級計算機500強排行榜榜首，獲得世界超算“三連冠”。天河二號超級計算機是國防科技大學承擔的國家“863”計劃和“核高基”國家科技重大專項項目。

此次奪冠，是天河系列超級計算機第四次問鼎世界超算之巔。2010年，天河一號讓中國人首次站到了超級計算機的全球最高領獎臺上。

超級計算機性能的提高，以服務國家經(jīng)濟社會建設和改善民生為最終目的。目前，天河二號超級計算機在國家超算廣州中心已正式投入運行，為120多家用戶提供了300多項典型應用計算。同時，為用戶培訓了一批超算應用技術人才。

天河二號運算1小時，相當于13億人同時用計算器算1000年。

借助天河二號的“計算神功”，國產(chǎn)C919大型客機開展了高精度外流場氣動計算；中科院上海藥物研究所開展了75萬個小分子化合物的結(jié)合親和力評估，完成了600多個各類藥物的體內(nèi)外活性測試評價。天河二號適配了廣州市電子政務數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和云盤存儲系統(tǒng)等，為智慧城市建設搭建高效可靠的承載平臺……

世界超算雙料冠軍

北京時間2014年20日上午，在美國新奧爾良市召開的世界超級計算機大會上傳出喜訊：由國防科技大學研制的天河二號超級計算機系統(tǒng)，在國際TOP500組織首次正式發(fā)布的超級計算機高性能共軛梯度（HPCG）基準測試排行榜上，位居世界第一。

此前，由這個組織發(fā)布的第44屆世界超級計算機500強排行榜中，天河二號位居榜首，獲得“四連冠”。

獲“五連冠”

2015年7月13日，國際TOP500組織在德國舉行的2015年國際超級計算機大會上發(fā)布全球超級計算機500強最新榜單,中國“天河二號”以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度第五次蟬聯(lián)冠軍。

存在問題

速度第一效率落后

天河二號的實用性、效率難令人滿意。

2014年6月公布的世界超算500強天河二號計算效率為61.7%，效率排名第一的IBM?nx360M4效率高達99.8%，速度排名第四的日本k計算機以93.2%效率排名效率第十八。

高性能處理器缺少

2015年4月9日，美國商務部發(fā)布報告，決定拒絕英特爾公司向中國的國家超級計算廣州中心出售至強芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學四家國家超算中心被列入出口管制名單。

社會評價

由國際組織“TOP500”編制的新一期全球超級計算機500強榜單今日揭曉，中國入圍的超級計算機數(shù)量為226臺，位列世界第一。這是2017年11月以來，中國超算上榜數(shù)量連續(xù)第六次位居第一。

TOP500排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學計算機學教授杰克·唐加拉對新華社記者說：“‘天河二號’是一個非常強大的計算系統(tǒng)，它在第一名的位置上再占據(jù)一年時間，我也不會感到驚訝。