撕开突破口

CPU+GPU异构融合体系结构，形象地说，就是把众多CPU、GPU有机地连成一枚“捆绑式火箭”（CPU相当于主改动机、GPU相当于助推改动机）。

这一技术路线的最大创新，就是将用于图像处理的GPU运用于高性能计算，最大的挑战就是实现GPU高效能计算。它成为阻挡每秒千万亿次超级计算机战役进展的第一个“堡垒”。

2008年底，以杨学军为总设计师的总师组，把撕开“突破口”的重任交给杨灿群和他带领的突击队。

经过10余年科研实践历练的杨灿群，对于自己的工作有个非常精妙的比喻：“搞工程技术，就像猜谜语。谜底出来了，大家恍然大悟：‘原来并不深奥，可在此之前，你的眼前却是一片云山雾海，你不知道目标在哪里，甚至不知道该朝哪个方向寻找，可以说两眼迷茫。”

GPU的科学计算问题便是这样一道谜语。

当时，市场上宣称有通用计算能力的GPU有两种，分别由NVIDIA与AMD生产，每种GPU都有多个型号。单独的GPU只是一颗芯片，需要和配套的存储器及外围电路构成显卡才能使用，生产此类显卡的厂商有好几家，市场上可购买的计算显卡就有近20种。这林林总总的显卡中，哪款能满足科学计算要求？杨灿群和突击队员两眼一抹黑。

为从这众多显卡中找到双精度浮点计算性能高、系统兼容性好、运行稳定的显卡，杨灿群带领突击队从2009年初开始夜以继日地进行大海捞针般的筛选工作。

春节前一周，他们把一种显卡安装到一款主机板上测试，但软件系统安装完成后，系统无法启动。他们首先怀疑是硬件问题，但硬件技术人员坚称该主板质量非常过硬。他们便从软件找原因，但尝试不同版本操作系统和显卡驱动后，问题依然如故。为了找到问题症结，他们在春节期间加班加点。大年初四那天，他们不经意间在主板上发现有个模糊标识，称该主板有启动异常故障，维修后也没有确认故障是否彻底解决，弄得大家哭笑不得。

还有一种显卡含两个GPU芯片，其驱动程序要求接上两个显示器才能让两个GPU同时工作，这显然不能满足科学计算的要求，因为不可能在一台计算机里安装一大堆显示器。他们通过查阅资料发现，可在显卡输出接上电阻来模拟显示器。为找到这种电阻，他们从尘封了上十年的器件柜中找出了几个满足要求的插装电阻，解决了测试问题。

……

两个月间，他们不知经历了多少这样的曲曲折折，才完成了近20款GPU的安装、测试，终于找到了满足计算条件的GPU。

中国有一句谚语：“一个和尚挑水喝，两个和尚抬水喝，三个和尚没水喝。”

CPU+GPU异构融合体系结构，把数千个CPU、数千个GPU组合在一个“大庙”，它们还能卖力“挑水”吗？

2009年3月，他们把CPU、GPU这两类“和尚”组合起来，利用GPU加速应用程序进行评测，竟发现总性能还不到每秒600亿次，而一颗CPU就有近每秒500亿次的性能。也就是说GPU这个“和尚”，虽然用于图像处理，速度惊人，但让它与CPU放在一块用于科学计算，就变得非常懒惰，计算效能只有20%左右。

面对这样的测试结果，大家心里凉了半截。须知，凭着GPU这等工作效率要造出每秒千万亿次超级计算机，岂不是天方夜谭？难道真如外国专家断定的，GPU根本不能用于科学计算机吗？

总设计师杨学军得到报告后，在第一时间赶到实验室。听完情况汇报后，他向身边的妻子招招手：“玉华，你去把车开来，带我出去转转。”

这是他的工作习惯，每凡科研遇到难题时，就让妻子开车带他去兜风。

“雪弗莱”驶出市区，奔驰在二环高速公路上。杨学军仰靠着座背，微闭着眼睛，让思绪随着从车旁呼啸而过的春风、扑面而来又疾速闪去的盎然春景，在科学的天地的盘旋……

“雪弗莱”驶出高速收费站时，杨学军掏出手机，拨通了杨灿群的号码，坚定地说：“别人不敢走的路，并不等于走不通。从技术原理分析，GPU的计算性能，通过软件优化，是可以大幅提高的……”

学校召开每秒千万亿次超级计算机工程攻坚动员大会。学校、学院党委向大家发出号召：“勇敢地担当起国家和民族冲击世界超级计算机科技高峰的历史重任，在年底前坚决完成每秒千万亿次计算机攻关任务，让银河的凯歌在神州大地上奏响，让银河的光彩再一次闪亮寰球！”

关键时刻，经学校党委推荐、中央军委主席胡锦涛任命廖湘科为计算机学院院长，同时兼任每秒千万亿次超级计算机工程总指挥和常务副总师。

挫折面前，杨学军总师、廖湘科总指挥一商量，竟作出这样一个超常决策：把完成研制任务的时间节点，由原计划2010年底提前一年，即在2009年底前推出中国第一台每秒千万亿次超级计算机。

决定一宣布，把一些人的眼睛惊得圆圆的：“关键技术尚未突破，还提前一年完成任务，能行吗？”

可新一代银河人对自己充满自信：“当年研制‘银河—Ⅰ时，困难还不大吗？可前辈们顽强拼搏，愣是提前一年完成任务。还有‘银河—Ⅲ，原计划用五年，大家齐心协力，争分夺秒，仅用三年就实现了每秒10亿次到每秒100亿次的大跨越。前辈们能做到的，我们也一定能做到！”

在杨学军、廖湘科率领下，国防科技大学超级计算机创新团队，拉开了每秒千万亿次超级计算机战役总攻的序幕。

长沙北郊的湘江之畔，有一片群山环抱的洼地，山上草木郁郁葱葱，山下坐落着一栋三层小楼。这是长沙市抗洪指挥部所在地。由于汛期未至，这里鸟儿啁啾，人迹稀少，煞是幽静。

杨灿群和他的突击队，把这里当作攻坚的战场。他们整天猫在小楼里，心里只想一件事，就是想方设法调动GPU这群“和尚”的积极性，让他们多“挑水”，争取“1+1”尽量接近“2”。眼睛也只盯着一个地方——显示屏，从那些不停滚动的浩如烟海的数据中，寻找一个个稍纵即逝的灵感，捕捉一次次优化GPU计算效能的机遇，然后对计算程序进行一遍又一遍的修改。

那周，杨灿群与伙伴们和往常一样，从早上7点盯到午夜，从周一盯到周五，竟然没有发现一次战机，没有取得任何战果。

连续鏖战数日，早已筋疲力尽的杨灿群，躺在床上辗转反侧，难以入眠。他于心不甘。往常从周一到周五，都能找到性能优化突破口，可在周末时间研究优化方法。那些数据犹如一群蜜蜂，在眼前不停地窜来窜去。闭上眼睛，满脑子还是那些波涛般滚动的数据。

突然，他隐隐觉得眼帘上滚动的一些数据低于设计目标。他一骨碌从床上爬起来，从家里跑到办公室，打开与服务器相连的笔记本电脑，进入试验数据库，果然发现GPU一部分计算资源没有用起来。兴奋难抑的杨灿群，立刻着手程序优化，GPU计算性能又一次提升。当他改完程序起身打开房门时，只见太阳早已爬上山顶，露出了灿烂的笑脸，小鸟在树林里欢快舞蹈、清脆鸣唱。

类似这样的优化改进，他们在两个月里进行了一万多次，终于把GPU计算效能提升到58%。

这充分验证CPU+GPU异构融合技术是科学可行的！

杨灿群带领突击队乘胜扩大战果，不分昼夜反复测试、研讨、改进。虽然每一次提升都如同滴水般微小，但把它们汇集起来，就能创造科学奇迹。在连续奋战四个月，先后改进优化8万余次之后GPU计算效能跃升至70%以上，达到世界最高水平！