从超算到量子计算，我们需要更多的慈云桂

光子盒研究院出品
导读：10月26日-28日21:30，天津卫视正在播出纪录片《逐梦天河》，该片共分三集，通过讲述中国超算的发展历程，深刻诠释科学家精神的内涵。“中国巨型计算机之父”慈云桂在研制银河巨型机时所说的“每秒运算一亿次一次不少；研制时间一天不拖；预算经费一分不超”仍言犹在耳。而现在，量子计算机也将成为国家战略。未来，我们需要更多慈云桂式的人物。

1983年12月，中国第一台每秒钟运算1亿次的巨型电子计算机银河-I，在长沙的国防科技大学计算机研究所研制成功并通过国家鉴定。中国成为世界上继美国和日本之后第三个拥有巨型机的国家。消息传出，举国为之振奋，举世为之瞩目。 但由于保密的需要，这一工程的主要设计者与指挥者的名字，在当时及其后很长一段时间内并不广为人知。一直到1990年7月21日，他不幸病逝于北京之后，才公布于世。 他就是“银河-I”的总设计师慈云桂（1917-1990），被誉为“中国巨型计算机之父”。 慈云桂从小和计算机结下了不解之缘。7岁时，父亲教他学珠算，他算了一遍又一遍，实在是很烦躁了，一气之下把算盘摔到地上后拔腿就跑。 他父亲紧跟在后面追赶：“别跑了，快给我回去算，将来会有用的。”慈云桂却说：“这个笨东西，有啥用，将来我造个会算账的机器给你就是了。” 许多年后，造会算账的机器成了慈云桂一生努力的目标…… 慈云桂

从0到1，研制第一台电子管专用计算机

慈云桂是安徽桐城人，1938年考取清华大学航空系，但因战乱留湖南大学机械系就读，后转入电机系。1943年慈云桂被保送到西南联大的清华大学无线电研究所做研究生，潜心于微波理论与雷达技术的研究。 1946年，慈云桂被选派赴英国考察雷达技术，回国后分配到已迁回北平（今北京）的清华大学物理系，从事无线电实验室的创建工作。 1954年，他被选调到哈尔滨的中国人民解放军军事工程学院（简称“哈军工”，国防科技大学前身），任雷达教研室主任，一路晋升为电子工程系副主任、教授。 这时已经30多岁的慈云桂，还没有意识到自己的后半生将与计算机紧紧联系在一起，直到1957年的一次苏联之旅。 1952年，华罗庚教授提出中国要开展计算机的研制。随后，中国科学院开始筹建计算技术研究所，组织学习、研究，但真正成立是在1956年。当时中国向苏联的大学和研究院派出实习生、研究生、大学生和研究人员进行学习考察，慈云桂是其中一员。 1957年6月，由哈军工和装甲兵司令部共同组成的中国人民解放军院校参观团抵达了莫斯科，开始对苏联、波兰和捷克的访问活动。参观团的成员中，包括时任海军工程系教育副主任的慈云桂和担任电气自动指挥教育的柳克俊。柳克俊（后排左一），慈云桂（后排右一） 在莫斯科，当慈云桂第一次看到电子计算机时，不禁眼前一亮。不停闪烁的各种指示灯看得他眼花缭乱，深深吸引了他的目光。 回到住处，他的心情久久无法平静，嘴里不停地念着“计算机！计算机！”心里想着如何把计算机技术学到手，应用到军队建设上。 恰巧当时美国无线电工程师学会会刊（Proc．IRE）上有一篇关于数字电子计算机的综述性文章，慈云桂读后很受启发，并与同事一起研究，提出把数字计算机用于指挥仪的方案。 回国后，慈云桂在哈尔滨组建了九人研制小组，除柳克俊和慈云桂在出访期间了解到国外的一些计算机技术发展情况以外，其他人均无直接的电子计算机相关知识。 1958年4月，学院指派慈云桂带队前往北京，解决器材问题，并向中科院计算所学习电子计算机研制经验。 当时设备简陋，器材奇缺，他们硬是凭着一本十几页的资料，铺开一张白纸，开始绘制中国电子计算机的蓝图。经过近百次的试验和不停尝试，1958年9月，我国第一台电子管专用数字计算机诞生了，代号为“901”。 第二年，901作为国庆十周年献礼在北京展出，周恩来总理赞扬慈云桂这些年轻人：“干得很有成绩嘛，要继续努力。”辞行时还握着慈云桂的手说：“要发展自己的计算机呵！我们起步晚，但也要赶美赶英。”总理的嘱托成了慈云桂一生拼搏的动力。 哈军工院长陈赓大将当即决定在学院创建计算机专业。1966年3月，国防科委主任聂荣臻任命慈云桂为电子计算机系主任，由此，诞生了中国第一个计算机系。 从此，慈云桂的名字与中国计算机事业的发展就紧紧地连在了一起。

中国计算机每一次升级换代的主要推手

1956-1960年，中国依托苏联培养了第一批计算机人才，并先后研制了103小型通用数字计算机、901专用数字计算机、104大型通用数字计算机、107小型通用数字计算机等中国第一批电子计算机。 中国计算机在短期内取得了非凡成就，但与美国相比，几乎落后了一个时代。1950年代末电子管计算机开始被晶体管计算机取代。早在1958年，德州仪器公司的基尔比已经发明了集成电路。
这时，中国计算机的研制仍然以电子管为主，正在从仿制苏联机器向自主研制计算机过渡。 1961年9月，慈云桂随中国计算机代表团访问英国，并参加国际计算机学术会议，这是他第二次来到英国。参观访问过程中，慈云桂惊讶地发现，英国的计算机已全面晶体管化，曾风靡一时的电子管计算机迅速退出历史舞台。 他敏锐地预感到，国际上计算机发展的主流方向将是全晶体管化。然而在国内，由他主持的一台电子管通用计算机还在研制，并且签订了生产和销售协议。慈云桂感到如芒刺背，坐卧不宁。 他一面写信回国，建议停止电子管计算机的研制，一面争分夺秒，白天参观访问，留意先进机型，晚上通宵达旦地进行晶体管计算机的设计。终于在回国之前完成了晶体管计算机体系结构和基本逻辑电路的方案设计。 回国后，慈云桂将他的设计方案上报国防科委，力主自主研制国产晶体管通用计算机。时任国务院副总理聂荣臻指示，尽快用国产晶体管研制通用计算机。 然而，当慈云桂回到哈军工宣布电子管计算机研制停止、立即开始晶体管计算机研制的决定时，人们普遍感到震惊。下马意味着否定自己用心血换来的成果，还意味着中止已经签订的协议，而上马又谈何容易。 不少专家断言，５年之内用国产晶体管做不出通用计算机。面对强大的舆论压力，慈云桂把全部精力都用在组织队伍与攻克技术难关上。 1962年3月，晶体管通用电子数字计算机设计研制组在哈军工电子工程系军用计算机教研室成立。慈云桂提出，研制组要在基本电路设计、系统可靠性和生产工艺三个方面下功夫，利用有限的晶体管研制出计算机。 经过3年的克难攻坚，终于在1964年末，慈云桂研究组用国产半导体元器件研制成功我国第一台晶体管通用电子计算机441B-I型计算机。次年2月，该机成功通过国家鉴定，连续运行268小时未发生任何故障，超过当时英国KDF-9机的70小时。 但研制计算机的脚步一刻不能停下，1966年，美国IBM公司推出了360系列中的第一台全集成电路计算机44型机，标志着第三代计算机时代的来临。中国计算机又落后了一代。 1966年1月，慈云桂再次率计算机代表团赴英国参观学习，历时８个多月，访问了英国的计算机公司和国家物理实验室，以及牛津大学、剑桥大学。慈云桂又开始构思新的集成电路计算机体系结构和软件系统。 回国后，“文革”开始，慈云桂受到牵连。1969年11月4日，国家组织召开“远望”号科学测量船中心处理机的方案论证会。慈云桂在国防科委指名下才由专案组“护送”到北京开会。 论证会上中心问题是上晶体管还是上集成电路，是每秒50万次还是100万次。不少人主张仍用晶体管，认为在目前条件下能搞50万次就很不错了。此时，按捺不住的慈云桂详尽地陈述了他三年来精心思考的集成电路化、百万次级、双机系统的计算机设计方案。 方案最终获得了上级领导部门的批准，他也接受了试制百万次集成电路计算机的艰巨任务。 1970年春节刚过，慈云桂带领科研人员先后到全国几十家工厂和科研所进行调研，又躲到上海市郊的一个小镇上进行分析和设计，仅三个多月就完成了样机的设计草图。 为了高质量地完成任务，他提出了指令先行控制、超高速数据缓冲存储、循环控制寄存器等一系列新技术，还构想了双机、双处理器等六种体系结构。 1970年秋，学院主体从哈尔滨南迁长沙，计算机系借用市郊一座破旧的农校，鸭舍成了他们的实验室。在慈云桂的带领下，全体研制人员团结一心，克服重重困难，经过3年的苦心奋战终于完成了逻辑设计、工程设计和模型试验。 接着，在完成了各种模型机和全部生产图样之后，慈云桂又带领40多名科研人员开赴北京生产厂，工作和睡觉都挤在一间木板棚里，夏暑如蒸笼，冬寒似冰窟，前后达４年之久。 1977年，百万次级集成电路计算机151-3终于研制成功。1978年10月，二百万次集成电路大型通用计算机系统151-4在连续稳定运行169小时之后，通过了国家的验收，并且装载于远望一号远洋科学测量船，为完成中国首次洲际导弹飞行测量任务立下汗马功劳。

巨型机时代带领中国计算机迈向世界前列

最困难的时期，中国计算机仍未停下发展的脚步，但与美国还有很大差距。在1970年代初美国已经进入了巨型机（也叫超级计算机）时代，推出了ILLIAC-Ⅳ、STAR-100和ASC等一系列巨型机。 巨型机的运算速度平均每秒1000万次以上，存贮容量在1000万位以上。1978年，美国已经有了亿次巨型机，而慈云桂带领团队研制的通用计算机系统151-4，运算速度不过每秒二百万次，距离每秒一亿次的超级计算机还有非常大的差距。 1975年到1977年，慈云桂两次率领科研人员进行高性能计算机调研活动。气象部门急需巨型机做中长期天气预报，航空航天部门急需巨型机以减少昂贵的风洞实验经费，石油勘探部门急需巨型机进行三维地震数据处理…… 慈云桂带队调研时，石油部门某勘探所所长指着立在大厅中央的机器说，这是美国高价卖给我们的一台落后设备，还有附加了一大堆条件。一是为机器修建一间专门的机房，二是使用维修人员必须由美国公司派遣，三是中方人员严禁入内，计算数据只能交由美方人员处理。 今时今日，中国土地上竟然还有禁止中国人入内的地方。慈云桂心潮澎湃，激愤难平！强烈的民族自尊心激发了他自主研制巨型计算机的决心。 1978年全国科学大会在北京召开，邓小平在这次会议上拍板决策“中国要搞现代化，不能没有巨型机。”他对时任国防科委主任张爱萍上将说：“现在研制巨型计算机的任务就交给你了，你要立军令状，五年内拿出中国的巨型机。” 1978年5月，张爱萍上将把这一任务下达给当时的长沙工学院（一个月后改建为国防科技大学），要求五年时间只能提前，不能拖后，计算机的速度必须达到每秒1亿次。 从此，以国防科技大学计算机研究所为主，全国20多个单位参与协作的亿次巨型机制工作正式开始。时任该校计算机研究所所长的慈云桂担任工程技术总指挥和总设计师。 面对小平同志的信任与重托，慈云桂代表研究团队立下军令状：每秒运算一亿次一次不少；研制时间一天不拖；预算经费一分不超。 从电子管计算机到晶体管计算机，再到集成电路计算机，中国计算机每一次升级换代，他都是主要推手。但巨型机对他来说，依然是一座攀登难度极高的大山。慈云桂（右二） 接到任务后，慈云桂带着团队成立了十多个攻关小组，“吃在工厂，睡在机房”。 为了赶任务，六年时间没有节假日、星期天。软件系统研制最紧张的时刻，他们租下了韶山滴水洞，所有人员封闭两个月足不出洞甚至足不出屋。 为了保质量，数以万计的信号线相互缠绕，就像从未梳理的头发，科研人员把脑袋伸进机柜一根一根地查，250多万个焊点全靠手工焊接，竟无一虚焊。 负责系统设计的人员没日没夜干了15个月，绘制了5000多张密如蛛网的逻辑图，哪怕有一个部件复核不合格，都要立刻返工。 慈云桂团队起初瞄准的是美国德州仪器公司1972年研制的TI-ASC和CDC公司1973年的STAR-100。但当接触到美国克雷研究公司(Cray Research)1976年研制成功的新型“克雷-1”巨型计算机后，又改为瞄准了这台设计思想、性能更加先进的巨型机。 1980年初，模拟机完成研制。1980年5月，全面进入主机生产阶段。巨型机的生产需要多种难度极大的工艺，国防科技大学计算机工厂自行组建了印制板车间、焊接车间、机加工车间及技术科室，克服了温度和湿度变化极大、大部分操作靠手工劳动等困难。 1983年12月4日，这是一个载入史册的历史时刻，银河亿次计算机通过国家鉴定。国家鉴定委员会认为：这是中国自行研制的第一台亿次电子计算机系统，填补了国内巨型计算机的空白，标志着我国进入世界研制巨型机的行列。 银河-I巨型机的诞生，让中国成为继美国和日本后世界上第三个可以自主研制巨型计算机的国家。这台计算机也因此得一别名：“争气机”，慈云桂也被誉为“中国巨型计算机之父”。银河-I巨型计算机 作为自主研制的第一台亿次电子计算机，银河-I在多个方面都做出了重大的技术创新。首创提出了向量双阵列部件结构方案和多模块素数模双总线交叉访问存储系统结构，设计了全流水线化功能部件和复合流水线技术，设置了“压缩还原”型传送指令和间接地址传送指令。 1992年11月，慈云桂逝世两年后，银河-II型十亿次超级计算机在国防科大研制成功。继银河之后，涌现出了曙光、深腾、天河、神威等多个系列，不断刷新中国超级计算机的记录。 2013年天河二号以每秒5.49亿亿次的峰值性能，霸榜TOP500三年。2016年神威·太湖之光以每秒12.54亿亿次的峰值性能接棒天河二号。直到2018年美国能源部宣布建成峰值18.77亿亿次的Summit，才重夺TOP500榜首位置。 虽然超级计算机的竞争还在继续，但被认为是下一代计算机的量子计算机，其竞争已经如火如荼。2019年9月，谷歌已经证明量子计算机在处理特定任务时的速度远超Summit超级计算机。 自1958年开始，慈云桂创立领导的团队，先后研制成功中国最早的晶体管计算机、百万次大型计算机和第一台亿次超级计算机，为中国计算机技术的发展作出重要贡献。 而从超级计算机到量子计算机，我们需要更多慈云桂式的人物。 参考文献：[1]刘瑞挺,王志英. 中国巨型机之父——慈云桂院士[J]. 计算机教育,2005(03):4-9.[2]陈方舟. 哈军工计算机技术的发展及影响(1956-1978)[D].国防科学技术大学,2015.
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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。