记忆40年:研制第一台巨型计算机“银河-I”

作者:司宏伟,来源:计算机六十年, 更新于:2023年12月22日 11:47,阅读:307

谨以此文纪念中国第一台巨型计算机银河-I研制成功40周年。

1983年12月22日,中央新闻媒体集中宣传中国第一台巨型电子计算机诞生!

  中国自主研制的第一台巨型计算机,是国防科学技术大学计算机研究所研制成功的“银河-I”。银河-I巨型计算机研制工程始于1978年5月,又称“785 工程”。1982 年1月,在该机硬件系统全部调试完毕后,时任国务院副总理张爱萍将军亲笔为其题名“银河”。

  银河-I跟踪世界先进主流巨型计算机技术,以向量运算为主,字长64位,运算速度为每秒1亿次以上,系统稳定可靠,软件较齐全,其主要技术指标均达到或超过了鉴定大纲的要求,某些方面达到了国际水平。它的研制成功,填补了国内巨型计算机的空白,使我国成为继美国、日本等国之后,世界上少数几个成功研制出巨型计算机的国家之一,它的应用在我国国防建设事业和国民经济发展中发挥了重大作用。

  1983年12月,银河-I巨型计算机通过国家鉴定,随后荣获“特等国防科技成果奖”,研制单位荣立集体一等功。1984年10月1日,该机模型彩车在北京天安门前参加了“建国35周年”群众庆祝游行活动,引起广泛关注。2017年,

  银河-I巨型计算机被中国计算机学会(CCF)计算机历史记忆认定委员会认定为首批一类“中国计算机历史记忆”珍贵物件。

银河—I巨型计算机

银河—I研制背景

   新中国成立后,我们依靠自己的力量成功实施“两弹一星”研制工程,极大增强了国防实力和国际地位,国产计算机在其中做出了重要贡献。但当时我国的尖端科技也遇到明显发展瓶颈,有些重要理论研究和模拟实验,尤其是我国第二代战略武器的发展、核动力装置的研究、航空航天飞行器的设计、军事情报分析和卫星图片判读等国防尖端技术,需要解决大量计算问题才有可能取得新的突破,因此迫切需要运算速度极高的计算机;而中长期数值天气预报和气象分析、石油地震处理、油藏工程与能源开发、大型图像处理、生物遗传工程等科学研究也都需要巨型计算机。可以说,研制巨型计算机对加强我国的国防实力、发展国民经济、促进科学技术的进步等,都有十分重要的意义;而在巨型计算机方面,西方国家对我国实行严格的技术封锁,买都买不来,迫使我们必须自主研究和开发。

   1972年秋,中央出于发展第二代战略武器、增强国防实力的迫切需要,责令国防科委加紧研究巨型计算机。国防科委副主任钱学森主持召开了两次巨型计算机专家论证会。时任长沙工学院计算机研究所(1978年改建为国防科技大学计算机研究所)负责人慈云桂教授在这次会议上提出建议,强烈主张尽快将巨型机研制列入国家科研规划。

   慈云桂是中国著名计算机专家、教育家、中国科学院学部委员(院士),曾任中国计算机学会副理事长,长期致力于计算机研究和教学工作。在研制巨型计算机之前,他已主持研制成功我国第一台电子管专用数字计算机——901机、我国第一台全晶体管化通用计算机——441B机和我国第一台百万次级集成电路专用计算机——151-3/4机。

   由于国防军工需要,巨型计算机研制项目一直得到党政军高层领导重视。同时,151百万次计算机的研制成功为巨型机研制奠定了基础。慈云桂的建议很快获准,长沙工学院计算机研究所便开始巨型机的预研和技术储备工作。

   1975年10月,时任国防科委主任张爱萍召集专门会议,决定组织国内计算机知名专家进行巨型计算机研制第一次全国调研。慈云桂被任命为组长,国防科委科技部干部唐遇鹤任副组长,以及来自中国科学院计算技术研究所等单位的20余人组成调研组,深入北京、西安、上海等30多个地方,就研制巨型机的必要性、可能性,特别是巨型机需求、国内元器件和外部设备的生产状况和水平等,进行了历时一个月的广泛调研。调研单位一致认为:搞巨型计算机十分必要,许多大型科学问题没有巨型机根本无法解决。但这时由于一些历史原因,巨型机研制前期有关工作被迫暂停。

   1977年7月,张爱萍重新出任副总参谋长兼国防科委主任。在听取有关巨型计算机研制的多次汇报后,张爱萍再次委任慈云桂为组长,以长沙工学院人员为主的20多名专家组成巨型机调研组,于当年10月开始了第二次全国调研。同时广泛搜集国内外关于巨型机软硬件结构、性能评价、并行算法、数据结构和软件工程等方面的书刊和论述,在此基础上展开了各种方案的探索论证、逻辑模拟与系统模拟等研究工作。调研结束后,慈云桂向中央呈送了关于开展亿次巨型计算机研制的请示报告。

   第二次全国调研的同时,慈云桂带领团队紧锣密鼓地收集资料,开始谋划设计中国巨型计算机的总体方案。起初,他们瞄准的是美国德克萨斯仪器公司(TI)1972年研制的ASC和控制数据公司(CDC)1973年推出的STAR-100这两台巨型计算机早期系统,经三易其稿已做好了一套总体方案,到年底几乎要定下来了。慈云桂完成全国调研后并没有急着回长沙,而是继续留在北京收集资料。

   就在这时,四机部标准化研究所研究员刘德贵主动上门找到慈云桂,提供了几张1976年美国最新巨型计算机Cray-1的广告宣传材料。Cray-1巨型机新颖而简洁的设计思想立刻吸引住了慈云桂,经过分析研究后他感到参考价值极大,连夜做出了一个借鉴Cray-1设计思想、适合我国国情的巨型机研制新方案初稿。1978年1月初,慈云桂将新方案初稿和Cray-1资料带回交给长沙的研制团队其他成员,大家看后都不禁有“眼前一亮”的感觉。

   慈云桂率总体方案设计论证组经过进一步收集资料、调研考察、深入研究,认为Cray-1的设计思想、实现手段更为先进,确有独到之处,当即决定舍去苦苦奋斗了8个月之久已完成的原总体方案,将瞄准点移过来,设计出一套新的符合中国国情、与国际主流亿次机兼容的巨型计算机总体方案。

   1978年3月,时任中央军委副主席兼总参谋长邓小平主持召开中央部署巨型计算机研制会,他在会上指出:“中国要搞四个现代化,不能没有巨型机!”。当时,也有中国科学院和四机部等单位也希望承担任务。在听取各方面的情况汇报后,邓小平当即拍板,他说,“……一亿次机只能搞一台,一亿次的就由长沙工学院搞算了。要在国家科委领导之下来搞。论证的时候,可以多请一些人来参加。什么时候完成,长沙工学院要签字。有些器件可以购买,主要是为了抢时间。我们科学院就搞千万次的。一亿次的,国家科委要牵头……”

   小平同志英明决断,亲自把中国第一台巨型计算机的研究和开发任务交由长沙工学院(同年改称为国防科学技术大学)来承担,慈云桂被任命为巨型计算机研制总设计师,他激动不已,当即立下“军令状”:“我今年60岁了,就是豁出老命也要把中国的亿次巨型计算机搞出来!”

银河—I研制过程

   1978年5月,国防科委在北京召开巨型计算机总体方案论证和协作会议(785会议),确定研制任务代号为“785工程”。1982年1月,785工程主机硬件全部调试完毕,国防科委主任张爱萍闻讯非常高兴,提笔挥毫为该机命名“银河”,即银河-I巨型计算机。至1983年12月,银河-I巨型计算机的研制工程历时5年多,经6个阶段成功实施。

第一阶段:1978年512

   这一阶段主要是总体方案论证和工程准备。785会议上,慈云桂做了新的巨型机总体方案汇报,受到大家一致好评。于是,这次会议通过了参考借鉴美国Cray-1设计思想的巨型计算机总体方案,并确定引进一些元器件,由国内协作单位研制外围机和外部设备。新方案确定的巨型机总体技术指标是:中央处理机运算速度在高效时能够达到每秒1亿次以上,字长64位,平均故障间隔时间24小时以上,可用性不低于90%。

   在研究银河-I关键核心技术之一的体系结构时,当时主要有两个创新的方案,一个方案是双向量阵列部件单处理机系统,另一个是共享主存的双中央处理机系统。慈云桂带领研制团队认真分析、反复讨论认为:一方面,银河巨型机主要服务对象是核工业部等单位,计算的主要课题是必须用亿次级的巨型计算机才能解决的大型算题,据调查,这些课题75%以上是属于向量运算,采用双向量阵列的方案非常适合于这类大型科学计算;同时,多功能部件、全流水化、并行运算和分布式结构等先进技术会有很好的应用。另一方面,如果采用双中央处理机系统,就必须开发并行处理系统,而这在当时是世界上的前沿技术,无论在技术力量方面还是任务时限方面,都存在很大困难。于是,大家最终决定采用双向量阵列单处理机方案,来解决在元器件水平受限的条件下做成巨型计算机的难题。

   1978年6月6日,785工程启动不久,长沙工学院改建为国防科学技术大学,长沙工学院电子计算机研究所随即改为国防科学技术大学计算机研究所,重新归入军队序列。国防科委主任张爱萍指派副主任张震寰挂帅成立“785工程总指挥组”,使巨型计算机的研制工作始终在国防科委的直接领导下进行。

第二阶段:1978年10月1980年3月

   这一阶段是实验、逻辑设计、插件工程化和模型机研制阶段。为了使设计理论更符合高速度与高质量的指标,研制人员进行了大量的巨型计算机关键核心技术研究和实验,提出设计方案,确定逻辑设计原则、实现技术和生产工艺,并通过研制银河-I模型机检验其可行性与有效性,为研制银河-I整机系统奠定了可靠的基础。

   1980年初完成了银河-I模型机的研制。同年3月,国防科委在长沙召开了模型机研制情况汇报会。银河-I模型机研制成功表明,团队已攻克了巨型计算机硬件研制中的理论和技术难关以及生产工艺等一系列问题,在国防科学技术大学计算机研究所的计算机工厂初步形成了银河-I巨型计算机的生产线。

第三阶段:1980年5月1981年7月

   1980年5月,各项工作准备就绪,全面进入巨型计算机主机生产阶段。银河-I主机生产历时近15个月,质量控制、工艺规范和元器件的配套是这一阶段的主要工作。当时,巨型机研制需要生产大面积多层印制板,进行高密度组装,使用的绕接、焊锡等工艺技术难度极大,国内相关工厂无力承担这一艰巨任务。国防科技大学“785 工程”领导小组决定由本校的计算机工厂自行承担,组建了印制板车间、焊接车间、机加工车间,成立了生产、器材、技术科室。在超过一年多的时间、温度和湿度变化极大和大部分操作靠手工劳动的情况下,100 多名生产人员以高度的责任心和严格的岗位责任制,克服重重困难,胜利完成银河-I 主机的 49 块 6 层底板、861 块 7 层插件板生产任务,全机 230 万焊点无虚焊、挂锡,主机底板工程化设计100% 正确。

第四阶段:1981年312

   巨型计算机硬件系统调试阶段,这个阶段集中解决了三个问题:一是插件、底板、焊接点、绕接点等全面细致的反复检查;二是解决插件测试问题,研制了符合巨型机实际工作,特别是恶劣条件下工作的测试设备;三是解决了调试工具和方法问题。

   为了确保巨型机硬件质量,研制团队成立了质量控制组和产品检验组,建立了严格的岗位责任制,实行全过程质量跟踪控制,把科学求实精神落实到每个环节。一个人设计,三个人审查; 生产工艺自检互查,层层把关; 调试时每前进一步都严格考核,每项设计、每道工序都必须有人签字负责。科研人员还研制了一套计算机自动测试系统来完成银河-I插件板测试任务,大大提高了工作效率和测试正确率。过去调试一台百万次级的计算机需要一年、甚至几年,而银河-I的分调、联调、正确性调试和考核仅用了66天。

第五阶段:1979年8月~1983年6月

   巨型计算机软件系统的研制和联调阶段。银河-I软件研制与调试几乎贯穿工程全过程,面对国际上软件迅速发展和中国软件还比较薄弱的现实,决策人员深知银河-I软件研究和开发的重要性,必须下大力解决,主要做好了以下工作:调集人员,充实软件研制队伍;采取不同形式,组织全国横向联合和大协作;狠抓软件工程化和规范化;狠抓模拟器和调试工具的开发,争取时间,缩短研制周期;狠抓软、硬件的约定和协调以及软件设计的审定和阶段成果的检查与考核。

   银河-I软件队伍成功开发出 200 万行巨型机系统软件,包括有:研发了功能齐全、使用方便、可扩展性强的分布式操作系统YHOS; 根据巨型机特点,遵循FORTRAN-77标准文本,采用三级优化技术开发了向量高级语言YHFT,可进行向量运算扩充并配有向量识别器,增强了向量识别能力;发挥程序员编程技巧,充分发挥巨型机优势,实现了能描述巨型机全部机器指令、程序高效运行的YHAL 汇编程序; 建立了80类292个模块数学子程序库以及1套多级诊断系统。

第六阶段:1983年412

   研制工程最后一个阶段是试算和国家技术考核、鉴定阶段。

   试算,是为了检测机器解决实际问题时发挥的性能如何,这是进一步提高银河-I系统稳定性和可靠性的关键阶段。主要做了如下工作:针对试算的组织和选择算题类型来暴露机器存在的问题,分析其原因,认真加以解决;抓技术测试的组织和测试大纲的制定,创造一切条件,保证对巨型计算机的技术测试是科学、严格的;排除薄弱环节和隐患,全面提高巨型机的性能指标。

   银河-I考核由用户考核和国家技术考核两部分组成,为了保证银河-I工程按期保质达到设计目标,在进行国家技术考核前,首先组织了用户考核。1983年6月和9月,银河-I接受了用户单位的全系统软硬件正确性和可靠性考核,为国家考核奠定良好基础。1983年9月,国防科工委在长沙召开了银河-I国家技术鉴定组工作会,完善了银河-I国家技术鉴定大纲与实施细则,成立了7个考核小组,完成了对同年12月份国家鉴定会的最终准备。

   1983年12月4日,银河-I巨型计算机国家鉴定会在长沙隆重举行,国防科工委科技委主任张震寰担任鉴定委主任,国防科工委副主任聂力等8人担任副主任,邓稼先、金怡濂等23人担任专家委员,对银河-I巨型机系统进行全面严格的技术检查和鉴定。12月6日,银河-I顺利通过国家鉴定,国家鉴定书确认“银河计算机是中国自行研制的第一台亿次电子计算机系统。系统稳定可靠,软件较为齐全,其主要技术指标均达到和超过了鉴定大纲要求,具有国内先进水平,某些方面达到了国际水平。它的研制成功,填补了国内巨型机的空白,标志着中国进入了世界上研制巨型机的行列”,“贯彻执行了党的十一届三中全会以来的路线、方针和政策,独立自主,自力更生,充分利用我国对外开放的条件,进口急需的元器件和设备,借鉴国外先进技术,结合我国情况,有所创新,高质量地完成了这项重大的国防科研任务,为发展我国的计算机事业,提供了宝贵的经验”,“巨型计算机是我国四个现代化建设迫切需要的重要设备。银河计算机即将成为我国战略武器研制、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、天气预报、图像处理、情报分析,以及各种科学研究的强大的计算工具。”

银河—I研制启示

   银河-I巨型计算机是国家高层战略支持,充分利用改革开放条件,借鉴国外先进技术,结合我国情况有效创新,高质量完成的重大国防科研成果。作为我国大科学工程研制的典范之一,银河-I为我国计算机事业的发展提供了经验,对于当下我们探索中国式现代化建设、实现高水平科技自立自强具有很好启示。

国家高层的战略支持

   银河-I巨型计算机是在中国最高层领导重视与支持下研制成功的,高度体现了国家研制巨型计算机的战略需求、战略意志与战略价值。邓小平亲自将巨型计算机研制任务下达,由国防科委主任张爱萍督办,副主任张震寰负责组建领导班子,从上到下统筹技术力量投入到银河-I巨型机研制之中。北京和长沙间建立了“指挥热线”,下边的问题“不过夜”反映给上面,高层对研制工作实施强有力的领导和保障。国防科委责令国防科学技术大学把巨型计算机研制作为首要任务来抓,该校迅速成立785工程领导小组,加强对整个研制任务的具体领导;同时组成校、所、室、组的一整套指挥系统,定期召开联合会议,及时解决各种问题,从而使银河-I工程任务得以高速度、高质量、高效率地完成。

   与此同时,银河-I巨型机研制工程在人力、财力和物力等各方面都得到了国家有关方面大力支持。国家相关部门还帮助从全国各地的科研院所抽调了一批技术人员、录用了一批计算机专业大学毕业生、招收了一批优秀战士和知青等人才充实银河-I研制团队,从而形成梯队分明、层次合理、实力较强的科研攻关队伍。为使银河-I工程如期完成,领导小组精简了各种繁琐的审批手续,物资部门想方设法采购提供各种器材,后勤部门对家属安置、交通运输、水电保障、医疗保健、日常生活等问题都及时研究解决和妥善处理,有效保证了参研人员全身心地投入到研制工作中。

原始创新与集成创新相结合的技术路线

   银河-I研制之初,总设计师慈云桂带领研制团队确定了走一条自力更生、学习与独创相结合,起点跟得上当时国际水平的新路子。工程开始后,研制人员一方面总结过去自己研制计算机的经验,一方面收集与学习国际上有关巨型机的资料,提出了亿次巨型机的设计方案,后来发现Cray-1的简介资料后,立即瞄准这个世界最前沿的巨型机,重新设计总体方案,并得到国防科委领导的支持。

   银河-I巨型计算机研制总体方案参考和借鉴Cray-1成功的设计思想,使银河-I研制既是高起点,又减少风险、少走弯路,同时,结合实际、扬长避短,创造性地提出中国巨型机自己的单处理机双向量阵列部件体系结构。同时,用双向量部件配以双流水线主存来提高一倍向量运算速度、改进浮点倒数近似迭代算法、指令链接与流水控制、素数模双总线交叉访问的存储控制等巨型机硬件技术,以及自主独立研制的银河操作系统、向量高级语言和数学子程序库等亿次机的软件技术等,都是我们中国人自己的创新。

   工程方面,银河-I工程是综合集成创新的典范,主要包括科学的组织管理、严密的生产组装、精湛的工程工艺等环节。设备器材上,银河-I工程采用两条腿走路的方针,凡国内已经生产,而且质量过关的,坚决采用国内的产品;凡国内没有或是不能保证质量的,则暂时从外国引进。事实证明,这样做充分利用了国家改革开放的条件,既为整个工程争取了时间,节约了研制经费,又保证了银河-I整个系统性能的高水平。值得指出的是,考虑到工程的周期与成本,购买非核心部件是国际计算机工程领域的惯例,美国Cray-1的大量部件也都是从外面购买的。

“集中力量干大事”的攻关机制

   “集中力量干大事”是社会主义国家制度下开展大科学工程的基本原则和运行机制,在两弹一星工程中就已成功实践,事实证明,在银河-I巨型计算机的研制中也是行之有效的。

   银河-I巨型计算机研制是一个复杂大系统,首先要求研制队伍内部必须密切协同,形成集团作战。总设计师进行顶层设计与统筹谋划,将其分成若干分系统任务,由各个主任设计师负责。每名主任设计师又将分系统任务分为多个子任务,由各研究小组负责人承担。这种工程研究体制要求内部高度集中协作,构成一个有机联系的总体,有效推进科研攻关。在具体到某一个研究项目时,比如在研究系统总体方案、各分系统之间的接口关系以及技术难点等,通过集中组织总设计师-主任设计师-研究小组负责人联席会议,由技术骨干们集体讨论,使重大问题得到突破,并保证了各部分之间的协调配合。又如,在研制过程中碰到关键技术问题,就随时召集有关人员到现场看现象、找原因,群策群力,集智攻关。

   银河-I巨型计算机研制规模庞大、涉及面广,光靠研制单位一己之力很难完成,全国科研大协作发挥了优势。湖南大学、西南计算中心等多家高校和科研院所,国防科学技术大学理学系等兄弟单位都直接参加了银河-I研制任务;北京半导体器件一厂等多家生产厂商为银河-I研制提供了关键设备和器材;中国科学院计算技术研究所等十几个国内同行科研机构都给予技术上的大力支持;国家科委、总参谋部联合集中抽调了国内100多名技术干部、招聘了大批技术工人,为银河-I工程补充了人力资源。这么多国内协作单位大力支援,为银河-I巨型机的研制成功贡献力量。

面向用户、实用好用的应用服务

   银河-I巨型计算机共生产3台,1台留在长沙国防科学技术大学计算机研究所服务国防建设,1台在河北涿县石油部物探局研究院作为“银河地震数据处理系统”的主机,1台在四川绵阳作为西南计算中心主机。

   长沙的银河-I巨型机,自运行以来,长期稳定可靠,故障率极低,每年平均交机率都在95%以上,为汉江油田开发三维石油地震处理软件等国民经济建设和军事应用创造了难以估量的效益。

   涿县的银河-I地震数据处理系统主机,针对地震数据处理中数据量大、人工干预多、多用户同时作业、各种处理模块运算量差异大等特点,采取一系列重大技术举措,改进了操作系统和编译系统,新增两台前端机和研制了相应的软硬件接口,研制了一整套地震应用软件等,为我国石油勘探开发提供了强有力的手段,投入运行以来,稳定可靠,为石油地震数据处理精加工,为油藏模型建立、分析做了大量工作。

   绵阳的银河-I,配有两台银河超级小型机作前端机,多年来稳定可靠,交机率达92%以上,每年提供8000多机时,在工程物理科学计算以及航空、航天技术的课题计算等方面发挥了巨大作用。

   综上所述,银河-I亿次巨型计算机的研制成功,不仅结束了我国没有巨型计算机的历史从而实现“零的突破”,打破了西方禁运和封锁,更具意义的是锻炼成长起一支勇于进取、能打硬仗的科研队伍,并形成了以“胸怀祖国、团结协作、志在高峰、奋勇拼搏”为内容的“银河精神”。40年来,银河-I的研制单位国防科技大学先后自主研制出银河-Ⅱ、银河-Ⅲ系列巨型计算机和天河一号、天河二号系列超级计算机等多项重大科研成果,有的填补国家空白,有的达到国际先进,天河一号、天河二号相继成为全球最快超级计算机,跃上“世界之巅”,为我国高性能计算机发展和高水平科技自立自强不断作出贡献。

   【致谢:本文得到中国科学院自然科学史研究所“十四五”重大专项 “中外科技创新史比较研究——科技自立自强之路”(E2291J01)支持】

原文刊于《中国计算机学会通讯》2023年第12期,第36-42页

 

 

作者简介:司宏伟 中国科学院自然科学史研究所青年副研究员;中国计算机学会计算机历史工作委员会副主任、计算机博物馆技术委员会历史组组长;中国科技史学会技术史专业委员会理事

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