Vom „Folgen“ zum „Führen“! Heute vor 27 Jahren entwickelte mein Land erfolgreich den Supercomputer Galaxy-III

Am 19. Juni 1997 bestand der von der National University of Defense Technology entwickelte Parallel-Supercomputer „Galaxy-III“ die nationale Bewertung in Peking. Die Maschine verwendet eine verteilte gemeinsam genutzte Speicherstruktur und ist für umfangreiche wissenschaftliche und technische Berechnungen sowie die Verarbeitung umfangreicher Daten konzipiert. Es hat eine grundlegende Wortlänge von 64 Bit und eine Spitzenleistung von 13 Milliarden Mal. Die Maschine verfügt über viele im Inland führende Technologien und ihre umfassende Technologie hat das aktuelle internationale Spitzenniveau erreicht. Derzeit beherrschen nur wenige Industrieländer der Welt die Technologie zur Entwicklung leistungsstarker Supercomputer. Durch die erfolgreiche Entwicklung des Supercomputers „Galaxy-III“ ist es China gelungen, in diesem Bereich in die Riege der weltweit fortschrittlichsten Länder aufzusteigen.

Chinas Supercomputer-Entwicklung erzielt einen „Null-Durchbruch“

In den 1970er Jahren entwickelte sich das Hochleistungsrechnen zu einer strategischen Spitzentechnologie, die wissenschaftliche und technologische Innovationen sowie die wirtschaftliche und soziale Entwicklung förderte. Aufgrund des Mangels an eigenen Supercomputern wird China in seiner wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung jedoch häufig von anderen kontrolliert. Die durch die Exploration gewonnenen Daten und Informationen zu Mineralien und Öl müssen zur Verarbeitung ins Ausland geschickt werden, was nicht nur teuer ist, sondern auch die Daten müssen zunächst von ausländischen Experten bearbeitet werden.

„Wenn China die vier Modernisierungen erreichen will, kommt es nicht ohne Riesenmaschinen aus!“ Die Worte des Genossen Deng Xiaoping waren bei einer wichtigen Sitzung des Zentralkomitees im Jahr 1978 laut und deutlich zu hören. Bei dieser Sitzung beschloss mein Land, unabhängig Supercomputer zu entwickeln, um große wissenschaftliche Rechenprobleme beim Modernisierungsbau zu lösen. Genosse Deng Xiaoping hat diese wichtige Aufgabe feierlich der Nationalen Universität für Verteidigungstechnologie anvertraut.

Obwohl die National University of Defense Technology damals die erste Einrichtung in China war, die Computer entwickelte, verfügte der von ihr entwickelte Computer „151“ über eine Rechengeschwindigkeit von lediglich einer Million Mal pro Sekunde. Um nun eine Maschine zu entwickeln, die mehr als 100 Millionen Berechnungen pro Sekunde durchführen kann, muss die Rechengeschwindigkeit um das Hundertfache erhöht werden. Die technischen Schwierigkeiten sind vorstellbar.

„Bringt der chinesischen Nation Ruhm!“ Angesichts beispielloser Schwierigkeiten nahmen die Wissenschaftler ihre Kräfte zusammen: Sie würden ihr Leben riskieren, um eine gigantische Maschine zu bauen, und nicht zulassen, dass uns Ausländer erwürgen. Nach Beginn der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten traten verschiedene komplexe technische Probleme auf. Welchen technischen Weg sollten wir einschlagen? Welche Art von Architektur sollte übernommen werden? Wie erreicht man eine Rechengeschwindigkeit von 100 Millionen Mal pro Sekunde? Die Probleme reihen sich wie „Straßensperren“ aneinander. Die wissenschaftlichen Forscher stellten sich der Herausforderung, behandelten das Labor wie ein Schlachtfeld und kämpften diesen Kampf Tag und Nacht ohne Schießpulver.

Zu Beginn der Reform und Öffnung war die industrielle Basis meines Landes schwach, die Verarbeitungsanlagen waren einfach und die Komponenten rückständig. Unter solchen Bedingungen wird deutlich, wie schwierig es ist, riesige Maschinen zu konstruieren. Die Forscher erinnerten sich, dass sie beispielsweise beim Entwurf von Schaltkreisen für Computerhardware diese einzeln auf Papier zeichnen mussten und bei einem Fehler wieder von vorne beginnen mussten. Um einen kleinen integrierten Schaltkreis zu entwerfen, dauert es allein zum Zeichnen des Diagramms einen halben Monat.

Um mit dem Fortschritt Schritt zu halten, aßen alle in der Fabrik, schliefen im Maschinenraum und arbeiteten bis mindestens 24 Uhr. Damals betrug der Überstundenlohn 20 Cent pro Nacht, aber niemand war bereit, ihn anzunehmen. Alle denken daran, jeden Cent zu sparen und Chinas Riesenmaschine so schnell wie möglich zu bauen.

Nach fünf Jahren harter Arbeit Tag und Nacht überwanden die wissenschaftlichen Forscher unter der Leitung von Akademiemitglied Ci Yungui eine theoretische, technische und technologische Schwierigkeit nach der anderen und schlugen auf kreative Weise die Struktur „Dual-Vektor-Array“ vor, die die Rechengeschwindigkeit der Maschine erheblich verbesserte. Die Entwicklungsaufgabe wurde ein Jahr früher als geplant abgeschlossen und die eingesetzten Mittel betrugen nur ein Fünftel des ursprünglichen Plans.

Am 26. November 1983 bestand der erste Supercomputer meines Landes, der 100 Millionen Operationen pro Sekunde ausführen konnte, erfolgreich die nationale technische Bewertung. Dies markierte einen „Null“-Durchbruch in der Entwicklung von Supercomputern und machte China zum ersten Land nach den Vereinigten Staaten und Japan, das unabhängig Supercomputer entwickelte und herstellte.

Seitdem haben sie sich auf unabhängige Innovationen verlassen und sukzessive eine Reihe von Riesencomputern wie „Galaxy-II“ und „Galaxy-III“ entwickelt, wodurch die Hochleistungscomputer-Entwicklungstechnologie meines Landes schrittweise an die internationale Spitze gelangte und nach und nach eine Reihe drohender Probleme der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung gelöst wurden.

Erhalten Sie etwa 7 Tage im Voraus eine Wettervorhersage

Im März 1994 wurde inmitten eines erbitterten Marktwettbewerbs das Projekt „Galaxy-III“ offiziell gestartet. Es dauerte weitere drei Jahre, bis das System erfolgreich entwickelt und im Juni 1997 fertiggestellt war. Damit war der Sprung von einem Multi-Processing-Parallel-Mainframe zu einem Groß-Parallel-Processing-Mainframe geschafft. Die Maschine verwendet eine verteilte gemeinsam genutzte Speicherstruktur und ist für umfangreiche wissenschaftliche und technische Berechnungen sowie die Verarbeitung umfangreicher Daten konzipiert. Es hat eine grundlegende Wortlänge von 64 Bit und eine Spitzenleistung von 13 Milliarden Mal.

Am 19. Juni 1997 wurde die Entwicklung des „Galaxy-III“ mit einer Rechengeschwindigkeit von 13 Milliarden Mal pro Sekunde erfolgreich abgeschlossen. Die chinesische Wetterbehörde verwendete es zur Erstellung eines mittel- und langfristigen numerischen Vorhersagesystems und verbesserte die Wettervorhersage von zwei bis drei Tagen im Voraus auf etwa sieben Tage. Die integrierte Technologie dieses Systems hat das aktuelle internationale Spitzenniveau erreicht, hat die Schlüsseltechnologien von Computern höherer Leistungsstufen durchbrochen und gemeistert und verfügt über die Fähigkeit, leistungsstärkere Supercomputer zu entwickeln. Es stellt einen neuen Durchbruch in der Entwicklungstechnologie für Hochleistungs-Supercomputer meines Landes dar.

Das Supercomputersystem „Galaxy“ war damals der schnellste, speicherstärkste und leistungsstärkste elektronische Computer in meinem Land. Die Supercomputer der „Galaxy“-Reihe werden heute häufig in der Wettervorhersage, bei aerodynamischen Experimenten, in der technischen Physik, bei der Ölförderung, bei der Verarbeitung seismischer Daten, bei der Verarbeitung von Satellitenbildern, bei groß angelegten Berechnungen wissenschaftlicher Forschungsthemen, im Aufbau der Landesverteidigung und in anderen Bereichen eingesetzt und bringen enorme wirtschaftliche und soziale Vorteile mit sich.

Derzeit sind nur wenige Länder in der Lage, riesige elektronische Computer zu entwickeln. Durch die erfolgreiche Entwicklung des „Galaxy“-Computers wurde das von der National Science Conference gesetzte Ziel, dass „die Super-Hochgeschwindigkeits-Supercomputer meines Landes bis 1985 in Betrieb genommen werden“, zwei Jahre früher als geplant erreicht. Damit gehört mein Land zu den Ländern der Welt, die Supercomputer entwickeln.

Chinas Supercomputer-Entwicklungsniveau zählt zu den besten der Welt

Mit dem Beginn des neuen Jahrhunderts sind die verschiedenen Unternehmen meines Landes in eine Phase rasanter Entwicklung eingetreten und es besteht ein dringenderer Bedarf an der Rechengeschwindigkeit und -kapazität von Hochleistungscomputern. Allerdings liegt mein Land im Vergleich zu den Industrieländern nicht nur hinsichtlich der Rechenleistung um eine Größenordnung zurück, sondern auch hinsichtlich der installierten Kapazität weit zurück. Der Nationalen Universität für Verteidigungstechnologie wurde erneut eine wichtige Aufgabe anvertraut, und sie hat den Vorstoß gewagt, an die Spitze der Wissenschaft und Technologie der Welt zu gelangen: die schnellstmögliche Entwicklung eines Exascale-Supercomputersystems für mein Land.

Die Entwicklung von Supercomputern auf der ganzen Welt zeigt, dass jede Steigerung der Rechenleistung um eine Größenordnung architektonische Innovationen und neue Durchbrüche in einer Reihe von Schlüsseltechnologien erfordert. Obwohl die National University of Defense Technology damals über ein relativ starkes technisches Know-how und umfangreiche praktische Erfahrung im Ingenieurwesen verfügte, war es immer noch sehr schwierig, den Technologiesprung vom Billionen- auf das Billiardenfache zu vollziehen.

Angesichts zahlreicher technischer Schwierigkeiten und großer Herausforderungen arbeiten wissenschaftliche Forscher zusammen, entwickeln unabhängig voneinander Innovationen und streben danach, die wichtigsten Schlüsseltechnologien zu beherrschen, um die Entwicklung der Hochleistungscomputerbranche meines Landes voranzutreiben.

Der Grund, warum der Tianhe-Supercomputer die schnellste Rechenleistung der Welt hat, liegt in seiner ursprünglichen heterogenen „CPU + GPU“-Architektur. Allerdings stieß dieses neue heterogene System bei seiner Entwicklung auf eine Reihe erheblicher technischer Engpässe. Professor Yang Canqun, stellvertretender Chefdesigner des Tianhe-Supercomputers, erinnerte daran, dass die GPU zur Grafik- und Videoverarbeitung fähig sei. Die Kombination mit der rechenstarken CPU zur Durchführung von Berechnungen ist nicht nur schwierig zu programmieren, sondern weist auch eine geringe Rechenleistung auf. Die höchste international anerkannte Rechenleistung beträgt lediglich 20 %.

Der Schlüssel zur Innovation liegt darin, „Unmögliches“ in „Mögliches“ zu verwandeln und einen Weg zu schaffen, wo es keinen Weg gibt. Damit ein Supercomputersystem eine Billion Berechnungen pro Sekunde durchführen kann, muss es auch über ein schnelles und reibungsloses Netzwerksystem verfügen, damit alle Arten von Informationen „schnell ausgeführt“ werden können. Das Forschungsteam der National University of Defense Technology weigerte sich, an das Böse zu glauben. Sie bestanden darauf, ihren eigenen Designweg zu verfolgen, alles von Grund auf zu erkunden und hart zu arbeiten, um Schwierigkeiten zu überwinden. In nur 10 Monaten wurde ein neuer Schaltertyp entwickelt. Seine tatsächlichen technischen Indikatoren übertrafen die ähnlicher Systeme bei weitem, während seine Kosten nur 80 % der Kosten ähnlicher Produkte derselben Größenordnung betrugen.

Dank einer Reihe wichtiger technologischer Durchbrüche und ingenieurtechnischer Errungenschaften wurde am 29. Oktober 2009 der erste Exascale-Supercomputer meines Landes, „Tianhe-1“, erfolgreich entwickelt. Damit wurde die Leistungsfähigkeit meines Landes bei der Entwicklung von Supercomputern von einer Billion Mal auf ein Petaflop gesteigert, und China ist nach den USA das zweite Land der Welt, das ein Petaflop-Supercomputersystem entwickeln kann.