从103机到曙光机—中国高性能通用计算机研制历程回顾

作者:李国杰院士

从1953年1月我国成立第一个电子计算机科研小组到今天,我国计算机科研人员已走过了40多年艰苦奋斗、开拓进取的历程。从国外封锁条件下的仿制、跟踪、自主研制到改革开放形势下的与“狼”共舞,同台竞争,从面向国防建设、为两弹一星做贡献到面向市场为产业化提供技术源泉,科研工作者为国家做出了不可磨灭的贡献,树立一个又一个永载史册的里程碑。在这一短文中,我们简要地回顾我国通用计算机研制的历程,总结历史的经验与教训,给关心我国计算机事业的人们提供一些史料性的参考。

一、  华罗庚和我国第一个计算机科研小组

华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和最主要的开拓者之一。当冯·诺依曼开创性地提出并着手设计存储程序通用电子计算机EDVAC时,正在美国Princeton大学工作的华罗庚教授参观过他的实验室,并经常与他讨论有关学术问题,华罗庚教授1950年回国,1952年在全国大学院系调整时,他从清华大学电机系物色了闵乃大、夏培肃和王传英三位科研人员在他任所长的中国科学院数学所内建立了中国第一个电子计算机科研小组。1956年筹建中科院计算技术研究所时,华罗庚教授担任筹备委员会主任。计算机学科是应用技术和工程学科,但从世界与中国计算机研究的发源可以看出数学等基础学科与计算机研制有很深的渊源。在我国计算机事业的发展史上,除华罗庚外,冯康、吴文俊等著名数学家和其他基础研究科学家都做出过卓越贡献。

二、  第一代电子管计算机研制(1958~1964)

1956年周恩来总理主持制定了我国十二年科学技术发展规划,发展电子计算机技术、成立中国科学院计算技术研究所被列为当时的四项紧急措施之一。在电子计算机技术刚刚萌芽时,刚从解放战争和抗美援朝的战火中走出来的年轻共和国就将可能对国家长远发展有重大影响的高技术列为“紧急措施”优先发展,充分显示了我国第一代领导人在发展科学技术方面的高瞻远瞩。做为制定科学技术发展计划的楷模,这一段光辉历史应永远铭记在我们心里。

我国从1957年开始研制通用数字电子计算机,1958年8月1日该机可以表演短程序运行,标志着我国第一台电子计算机诞生。为纪念这个日子,该机定名为八一型数字电子计算机。在八一型计算机进行可靠性调整和试算的同期,该机在738厂开始小量生产,改名为103型计算机(即DJS-1型),共生产38台。八一型是根据(前)苏联提供的M-3机设计图纸经局部修改,在(前)苏联专家的指导下研制成功的,运算速度只有每秒几十次,后来安装了自行研制的磁心存储器,运算速度提高到每秒3000次。1958年5月我国开始了第一台大型通用电子计算机(104机)研制,以(前)苏联当时正在研制的БЭСМ–II计算机为蓝本,在(前)苏联专家的指导帮助下,中科院计算所、四机部、七机部和部队的科研人员与738厂密切配合,于1959年国庆节前完成了研制任务。在研制104机同时,夏培肃院士领导的科研小组首次自行设计于1960年4月研制成功一台小型通用电子计算机-107机。1964年我国第一台自行设计的大型通用数字电子管计算机119机研制成功,平均浮点运算速度每秒5万次,参加119机研制的科研人员约有250人,有十几个单位参与协作。

我国电子计算机研制起步比美国晚一代。1959年104机问世时,IBM公司推出了该公司第一套晶体管计算机(IBM7090)。当国际上致力于第二代计算机产品时(1959~1964年),我们正在研制第一代电子管计算机。日本几乎与我们同时起步,1958年日本NEC公司研制成功日本第一台电子管计算机NEC1101。我国建国初期启动电子计算机研制时采取了一系列正确决策,如派技术人员赴苏联学习(当时唯一可选的对外开放)、“先集中、后分散”、办学习班培训急需的人才、科研及生产单位大协作等。我国第一代计算机研制者努力钻研先进技术,忘我工作的精神是可歌可泣的,一直到90年代初,他们都是我国计算机研制的中坚力量。我国第一代电子管计算机在原子弹(104机)和氢弹(119机)研制中发挥了作用。由于帝国主义的封锁政策,我国开始研制只能采取“全部采用国产器材,依靠自己的技术力量”的技术路线,119机花了五年才研制成功说明在当时条件下一切从头做起研制大型计算机是件相当困难的事。我国第一代电子计算机研制的主要推动力是军事应用,民用计算机的需求还不很强烈。高技术往往首先在军事上得到应用,但高技术的普及推广和产业的形成要借助大量民用需求的拉动。这一点被世界各国高技术发展历史所证明,我国计算机产业发展历程也是如此。

三、  第二代晶体管计算机研制(19651972)

我国在研制第一代电子管计算机的同时,已开始研制晶体管计算机。1965年研制成功的我国第一台大型晶体管计算机(109乙机)实际上从1958年起中科院计算所就开始酝酿启动。在国外禁运条件下要造晶体管计算机,必须先建立一个生产晶体管的半导体厂(109厂)。经过两年努力,109厂就提供了机器所需的全部晶体管(109乙机共用2万多支晶体管,3万多支二极管)。这种“没有条件,创造条件也上”的拼搏精神至今对我们仍有激励作用。对109乙机加以改进,两年后又推出109丙机,为用户运行了15年,有效算题时间10万小时以上,在我国两弹试验中发挥了重要作用,被用户誉为“功勋机”。我国工业部门在第二代晶体管计算机研制与生产中已发挥重要作用。华北计算所先后研制成功108机、108乙机(DJS-6)、121机(DJS-21)和320机(DJS-6),并在738厂等五家工厂生产。1965~1975年,738厂共生产320机等第二代产品380余台。哈军工(国防科大前身)于1965年2月成功推出了441B晶体管计算机并小批量生产了40多台。

我国的第二代晶体管计算机大部分是文化大革命前夕研制的,当国外在发展第三代中小规模集成电路计算机时(1964~1972年),我们对于以IBM 360(1964年推出)为代表的大型机系列机以及以DEC公司PDP系列为代表的小型机(1963年推出PDP-8)还没有多大反应,一直到1970年中期才开始重视与国外主流产品兼容的系列机,已经晚了10年。我国第一、二代计算机的系统软件大多是自己开发,早期以前苏联的算子法为指导思想,1962年以后转到以ALGOL 60为基础的编译技术,开发了BCY、BX119等有影响的编译系统。但总的来讲,我国从研制第一代计算机开始就有重硬件轻软件的倾向。

四、  第三代基于中小规模集成电路的计算机研制(1973~80年代初)

我国第三代计算机的研制受到文化大革命的冲击。IBM公司1964年推出360系列大型机是美国进入第三代计算机时代的标志,我国到1970年初期才陆续推出大、中、小型采用集成电路的计算机。1973年,北京大学与北京有线电厂等单位合作研制成功运算速度每秒100万次的大型通用计算机,1974年清华大学等单位联合设计,研制成功DJS-130小型计算机,以后又推DJS-140小型机,形成了100系列产品。与此同时,以华北计算所为主要基地,组织全国57个单位联合进行DJS-200系列计算机设计,同时也设计开发DJS-180系列超级小型机。70年代后期,电子部32所和国防科大分别研制成功655机和151机,速度都在百万次级。进入80年代,我国高速计算机,特别是向量计算机有新的发展。1983年中国科学院计算所完成我国第一台大型向量机-757机,计算速度达到每秒1000万次。这一记录同年就被国防科大研制的银河-I亿次巨型计算机打破。银河-I巨型机是我国高速计算机研制的一个重要里程碑,它标志着我国文革动乱时期与国外拉大的距离又缩小到7年左右(银河-I的参考机克雷-1于1976年推出)。

70年代中到80年代初是我国计算机工业初步形成的阶段。1973年元月第四机械工业部召开了“电子计算机首次专业会议”(即7301会议),总结了60年代我国计算机研制都是为特定工程任务(主要是国防)服务,不能形成批量生产的教训,决定放弃单纯追求提高运算速度的技术政策,确定了发展系列机的方针,提出联合研制小、中、大三个系列计算机的任务,以中小型机为主,着力普及和运用。7301会议在我国计算机发展史上具有重要意义。DJS-130小型通用机生产销售了近千台,标志着我国计算机工业已走上系列化批量生产道路。60年代末,全国安装计算机约500台,到1980年全国计算机装机台数已达到6000多台。由于70年代后期国外PC机已开始起步,到1983年美国计算机容量已超过1000万台,我国在微机的研制与推广方面比国外又晚了一拍。自从1971年Intel公司推出第一片微处理器芯片4004、尤其是1974年推出8位微处理机芯片8080以后,摩尔定律(即集成电路的集成度,性能大约每18个月翻一番)就开始对计算机的发展起决定性影响,国际上已进入第四代计算机时代(即以微机为主的时代)。国外早期从事计算机研制的科研人员一部分转入微处理机设计,处理机体系结构和实现技术的进展大部分在微处理器芯片内。而我国在这一时期没有注意这一重要的技术变化,造成微电子及集成电路技术人员与计算机逻辑及电路设计科研人员的分离,集成电路企业严重缺乏计算机体系和逻辑设计人员。我国从60年代开始就研制过一些微处理机,1977年也研制成功自行设计的16位大规模集成电路微处理机,但都是用来做航天专用机,我国有不少从事专用计算机与芯片研制的研究所,但没有一个单位以研制通用微处理器为目标。今天国人都在呼吁必须要有自己的微处理机芯片,殊不知造成90年代困境的隐患我们在70年代已经留下了。

五、  第四代基于超大规模集成电路的计算机研制(80年代中期至今)

和国外一样,我国第四代计算机研制也是从微机开始的。1980年初我国不少单位也开始采用Z80,X86和M6800芯片研制微机。1983年12电子部六所研制成功与IBM PC机兼容的DJS-0520微机。10多年来我国微机产业走过了一段不平凡道路,现在以联想微机为代表的国产微机已占领一大半国内市场。由于篇幅限制,本文只侧重于高速通用计算机,有关微机研制的情况不再赘述。1992年国防科大研究成功银河-II通用并行巨型机,峰值速度达每秒4亿次浮点运算(相当于每秒10亿次基本运算操作),银河-II是共享主存储器的四处理机向量机,其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的,总体上达到80年代中后期国际先进水平。从90年代初开始,国际上采用主流的微处理机芯片研制高性能并行计算机已成为一种发展趋势。经过10多年努力,我国已面临对外开放的大好形势,与60~70年代相比,研制计算机的条件已有很大改变。根据国家863计划的部署,国家智能计算机研究开发中心经过分析,采取了符合技术发展趋势、有所为有所不为的技术路线,以较少的人力与资金投入和较短的设计开发周期,于1993年研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机,这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准UNIX操作系统设计开发的并行计算机并推向了市场。曙光一号并行机的创新实践探索了一条在改革开放条件下研制高性能计算机的路子。沿着这一技术路线,1995年国家智能机中心又推出了国内第一台具有大规模并行处理机(MPP)结构的并行机曙光1000(含36个处理机),峰值速度每秒25亿次浮点运算,实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光1000与美国Intel公司1990年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近,与国外的差距缩小到5年左右。1997年国防科大研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统,采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构,由130多个处理结点组成,峰值性能为每秒130亿次浮点运算,系统综合技术达到90年代中期国际先进水平。近几年来国外大力发展具有高扩展性与高可用性的机群系统(Cluster),这已成为高性能计算机的主流发展趋势。国家智能机中心与曙光公司于1997至1999年先后在市场上推出具有机群结构的曙光1000A,曙光2000-I,曙光2000-II超级服务器,峰值计算速度已突破每秒1000亿次浮点运算,机器规模已超过160个处理机,2000年将推出每秒浮点运算速度3000亿次的曙光3000超级服务器。在超级服务器的研制中,技术突破的重点集中在高速互连和易于管理、具有单一系统映象的机群操作系统和方便用户使用的编程及运行环境。曙光机群超级服务器的起步比国际上同类产品(如IBM RS6000SP系列)晚3~4年,但目前已能做到与IBM同步推出新产品,在市场上具有较强竞争力。

综观40多年来我国高性能通用计算机的研制历程,从103机到曙光机,走过了一段不平凡的历程。总的来讲,除了文革动乱时期外,我们的研制水平与国外的差距在逐步缩小。下表列出每一代(其中第四代又分为几种典型体系结构)国内外标志性计算机推出的时间,其中国外的代表性机器为ENIAC,IBM 7090,IBM 360,CRAY-1,Intel Paragon,IBM SP-2,国内的代表性计算机为103,109乙,150,银河-I,曙光1000,曙光2000。

机型

第一代

第二代

第三代

向量机

大规模并行机

机群

美国

1946

1959

1964

1976

1990

1994

中国

1958

1965

1973

1983

1995

1998

推出时间相关年数

12

6

9

7

5

4

在计算机研制方面我国与发达国家的差距主要不是推出同类型机器比国外晚几年,而是在于以下两点:(1) 原始创新少,我们推出的计算机绝大多数都是参照国外机器做一些改进,几乎还没有一种被用户广泛接受的体系结构由我们自己创新发展出来。(2) 研制成果的商品化、产业化落后于发达国家。除了微机取得了令人自豪的产业化业绩外(但自主知识产权不多),工作站以上的高性能计算机的产业化道路还在摸索之中。太极、华胜等公司曾做过多年努力,在小型机、工作站方面有所建树,最近几年曙光公司在发展高性能服务器(包括超级服务器)方面进行了不懈努力。我国国防科研单位曾研制成功具有当时国际领先水平的巨型机,但美国政府对我国制定高性能计算机禁运标准时还是参考我国有市场竞争力的产品。曙光超级服务器已在市场上推出的是百亿次水平,目前的禁运限制也是百亿次水平。这也说明产业化市场化能力是一个国家计算机实力的主要标志。要取得市场上成功,我国计算机领域的人员和有关企业还要进一步解放思想、转变观念、真诚合作,在竞争中开拓新局面。

参考书目:

中国计算机事业创建四十周年纪念册(1956~1996),清华大学出版社,1999年

来源:李国杰院士文章《从103机到曙光—中国高性能通用计算机研制历程回顾》

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