中國(guó)超算什么時(shí)候能重回第一？一文看懂

11月19日消息 當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月18日，由國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)（ISC）公布的新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單出爐。中國(guó)繼續(xù)擴(kuò)大數(shù)量上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在總算力上與美國(guó)的差距進(jìn)一步縮小。

美國(guó)能源部下屬橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Summit（頂點(diǎn)）以每秒14.86億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度再次登頂，與半年前的速度相同。美國(guó)能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Sierra（山脊）、中國(guó)超算神威·太湖之光和天河二號(hào)分列二三四位。

全球超算500強(qiáng)榜單每半年發(fā)布一次。本次榜單顯示，中國(guó)境內(nèi)有228臺(tái)超算上榜，在上榜數(shù)量上蟬聯(lián)第一，比半年前的榜單增加9臺(tái)。美國(guó)以117臺(tái)位列第二，日本、法國(guó)、德國(guó)依次位居其后。這是2017年11月以來(lái)，中國(guó)超算上榜數(shù)量連續(xù)第五次位居第一。榜單顯示，中國(guó)企業(yè)繼續(xù)保持上榜數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)。聯(lián)想、中科曙光和浪潮位居全球超算制造商前三位。

什么是超算

超級(jí)計(jì)算機(jī)（Super computer），顧名思義，就是具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)能力的計(jì)算機(jī)，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富的、高功能的軟件系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度平均每秒1000萬(wàn)次以上，存貯容量在1000萬(wàn)位以上。

從結(jié)構(gòu)上看，超級(jí)計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)都是大同小異的，但它將大量的處理器集中在一起以處理龐大的數(shù)據(jù)量，同時(shí)運(yùn)算速度比常規(guī)計(jì)算機(jī)快許多倍，進(jìn)而影響到各個(gè)行業(yè)運(yùn)行，其意義十分重大。

你認(rèn)為是科技強(qiáng)國(guó)的那些國(guó)家，就是超算的強(qiáng)國(guó)，這兩個(gè)集合是高度重疊的。這也可以反映出超算的重要性，它相當(dāng)于科技界的一種基礎(chǔ)設(shè)施。

從半年前也就是2019年6月開始，超算TOP500的入門門檻超過(guò)1PFlops（每秒一千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算），這是全球超算TOP500榜單26年以來(lái)的又一歷史性突破。

超算怎么排名？

TOP500是按照什么來(lái)給超算排名的？當(dāng)然按照計(jì)算速度了，用專業(yè)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，是每秒能夠執(zhí)行多少次浮點(diǎn)運(yùn)算。

當(dāng)你去看TOP500的榜單時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每臺(tái)超算都列出了兩個(gè)計(jì)算速度，一個(gè)叫做Rmax，一個(gè)叫做Rpeak。例如對(duì)于目前排第一的Summit，Rmax是每秒14.86億億次，Rpeak是每秒20億億次。

Rmax是實(shí)測(cè)的最高速度，Rpeak是理論上的最高速度?？倳?huì)有些實(shí)際原因使超算的性能達(dá)不到理論上限，所以Rmax總是小于Rpeak。因此，TOP500排名用的是實(shí)測(cè)的最高速度，也就是Rmax。

超算是不是芯片越多越強(qiáng)悍？

在中國(guó)的超算占據(jù)首席的5年中，很多人對(duì)此不屑一顧。他們以為超算就是處理器堆出來(lái)的，有錢多買些處理器，計(jì)算能力就上去了。他們還以為中國(guó)的超算都是買的外國(guó)的處理器，因此計(jì)算能力再高也不值一提。

首先，超級(jí)計(jì)算機(jī)為什么算得那么快，的確是因?yàn)槌阌昧撕芏鄠€(gè)芯片，讓它們同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，也就是高性能計(jì)算的基本法則：并行計(jì)算。

超算的單個(gè)芯片的性能跟個(gè)人電腦的芯片差不了太多，而讓多個(gè)芯片進(jìn)行工作，要先給它們劃分好任務(wù)，這個(gè)任務(wù)劃分是要消耗時(shí)間的。當(dāng)各個(gè)芯片開始計(jì)算之后，還不時(shí)地要和其他芯片交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信，這是也是要消耗時(shí)間的。

因此，當(dāng)芯片很多的時(shí)候，任務(wù)劃分和數(shù)據(jù)通信會(huì)變成瓶頸因素，由此可見，芯片并不是越多越好，光靠堆芯片是堆不出超級(jí)計(jì)算機(jī)的，就跟企業(yè)越大，組織層級(jí)越多，辦事效率就越低一個(gè)道理。

一臺(tái)超算能夠容納下多少芯片，并不是取決于你能買到多少芯片，而是取決于系統(tǒng)架構(gòu)。只有擁有好的系統(tǒng)架構(gòu)，你才能擁有更多芯片，也就能擁有更大的算力，所以芯片數(shù)增加不是超算升級(jí)的原因，而是結(jié)果。除了芯片之外，架構(gòu)同樣也是核心技術(shù)。

那么中國(guó)超算用的是國(guó)產(chǎn)芯片嗎？

其次，來(lái)說(shuō)說(shuō)國(guó)產(chǎn)芯片的問(wèn)題。TOP500上的第三和第四，也就是神威太湖之光和天河二號(hào)，它們現(xiàn)在用的都是國(guó)產(chǎn)芯——注意是現(xiàn)在。

神威太湖之光用的是中國(guó)自主研發(fā)的「申威26010」眾核處理器。它的出現(xiàn)擊碎了外界對(duì)于超算芯片國(guó)產(chǎn)化的質(zhì)疑。

天河二號(hào)以前用的是英特爾的Xeon Phi（至強(qiáng)融核）芯片，在它連續(xù)四次奪冠后，2015年4月，美國(guó)商務(wù)部禁止英特爾公司向中國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心出售至強(qiáng)芯片。長(zhǎng)沙中心、廣州中心、天津中心和國(guó)防科技大學(xué)這四家國(guó)家超算中心，均被美國(guó)列入了出口管制名單。

面對(duì)來(lái)自美國(guó)的扼殺，天河二號(hào)在2017年底用國(guó)產(chǎn)的Matrix-2000協(xié)處理器替換了用了五年的Xeon Phi。這次升級(jí)把天河二號(hào)的每秒計(jì)算次數(shù)從3.39億億次提升到了6.14億億次，而功耗只增加了不到4%。所以六年了，天河二號(hào)還能在TOP500上排到第四，可以說(shuō)相當(dāng)出色。

另外還要說(shuō)一句，天河二號(hào)取得突破的關(guān)鍵之一是中國(guó)自制的TH Express-2主干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，這項(xiàng)技術(shù)世界領(lǐng)先。所以說(shuō)，構(gòu)架也是核心技術(shù)就這個(gè)道理。

當(dāng)然你可能又有話要說(shuō)了，那其他的超算呢？事實(shí)上，出于商業(yè)和應(yīng)用上的考慮，不管是中國(guó)還是美國(guó)，大多數(shù)企業(yè)部署的超算都趨向于采用成熟的芯片，比如本期TOP500榜單中，94%都使用了英特爾Xeon（至強(qiáng)）或Xeon Phi（至強(qiáng)融核）處理器。這是美國(guó)在計(jì)算機(jī)芯片研制方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)短時(shí)間內(nèi)很難打破。

超算到底有什么用

很多人會(huì)問(wèn)超算到底有什么用?；卮鹗钱?dāng)然非常有用了，不然全世界的科技強(qiáng)國(guó)紛紛制造超算干嘛呢！

超算在情報(bào)收集、破解領(lǐng)域能力領(lǐng)先，可以強(qiáng)行攻破對(duì)方的安全系統(tǒng)，棱鏡計(jì)劃暴露了美國(guó)政府對(duì)公眾隱私和他國(guó)公民個(gè)人數(shù)據(jù)的龐大監(jiān)控，這些海量情報(bào)需要進(jìn)行處理，就要用到超算。

說(shuō)個(gè)離老百姓近的例子，現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)為什么總那么準(zhǔn)，就是超算對(duì)云層進(jìn)行精確的模擬和觀測(cè)的結(jié)果。通過(guò)超算模擬還可以計(jì)算未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)大氣污染物濃度和分布，進(jìn)行空氣質(zhì)量報(bào)告。

而我們用到的很多先進(jìn)技術(shù)——比如處理器技術(shù)、虛擬技術(shù)包括未來(lái)的量子計(jì)算，最早都是超算先用，然后才普及為民用。目前的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)同樣也需要超算的算力支持。

醫(yī)療領(lǐng)域，超算已經(jīng)在用于腫瘤研究、DNA測(cè)序和藥物研發(fā)等等。此外超算還用于核業(yè)、軍事、航天等高科技領(lǐng)域。

總之，大到模擬宇宙的演變，小到測(cè)算一個(gè)分子結(jié)構(gòu)，超算發(fā)揮作用的地方可太多了。

超算界有一個(gè)最高級(jí)榮譽(yù)——當(dāng)然不是這個(gè)TOP500排名了——叫做戈登·貝爾獎(jiǎng)（Gordon Bell Prize），是授予最杰出的高性能計(jì)算應(yīng)用的，每年頒發(fā)一次。獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)的應(yīng)用，一般都在最快的超算上運(yùn)行。

基于神威·太湖之光的兩項(xiàng)應(yīng)用「千萬(wàn)核可擴(kuò)展全球大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬」、「非線性地震模擬」分別在2016年和2017年獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)。其中非線性地震模擬，模擬的就是唐山大地震。

中國(guó)超算什么時(shí)候能重回第一？

神威太湖之光曾經(jīng)在從2016年6月到2017年11月的四期TOP500榜單中排在首位，四連冠。

天河二號(hào)曾經(jīng)在2013年6月至2015年10月的六期榜單中六連冠，直到2016年6月讓位給神威太湖之光，然后一直保持亞軍。

而美國(guó)重新奪回TOP500的第一名已經(jīng)是2018年6月的事了，當(dāng)時(shí)外媒鋪天蓋地地報(bào)道，國(guó)內(nèi)也有不少人關(guān)注。

自從TOP500開始發(fā)布的1993年以來(lái)，美國(guó)曾經(jīng)不止一次地失去速度最快的桂冠，但始終保持著上榜數(shù)最多的地位。到了2017年11月，中國(guó)第一次在上榜數(shù)目上登頂，美國(guó)失去這個(gè)第一。在最新的榜單中，中國(guó)擴(kuò)大了上榜數(shù)目的優(yōu)勢(shì)，在總算力上接近美國(guó)，美國(guó)超算占比為37.1%，中國(guó)超算占比為32.3%。而半年前，這個(gè)數(shù)據(jù)是美國(guó)38.4%，中國(guó)29.9%。

從這一點(diǎn)看，中國(guó)超算已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)悍，而且繼續(xù)發(fā)展下去很快會(huì)在總算力上超越美國(guó)。如果你要問(wèn)中國(guó)超算什么時(shí)候拿回TOP500的第一名，機(jī)會(huì)不久就會(huì)到來(lái)，那就是世界超算格局的新變化之一：E級(jí)超算的出現(xiàn)。

E級(jí)超算，即百億億次超算，被公認(rèn)為超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠。從Summit的每秒近15億億次浮點(diǎn)運(yùn)算速度到百億億次，這中間有相當(dāng)大的發(fā)展空間，到E級(jí)超算實(shí)現(xiàn)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)全新的榜單。

美國(guó)對(duì)此高度重視，相繼宣布建造「極光」、「前沿」和「酋長(zhǎng)巖」三臺(tái)E級(jí)超算，交付時(shí)間預(yù)計(jì)為2021年至2023年。

中國(guó)也在已經(jīng)開始E級(jí)超算部署三連發(fā)，其中E級(jí)超算「天河三號(hào)」原型機(jī)2018年7月已開放應(yīng)用，「天河三號(hào)」有望于2020年研制成功。神威E級(jí)原型機(jī)和曙光E級(jí)原型機(jī)系統(tǒng)也已完成交付。

下一個(gè)第一，不出意外的話應(yīng)該就在這幾個(gè)名字之間誕生，我們拭目以待。

另外，大家關(guān)注第一的時(shí)候也應(yīng)該清楚，科技競(jìng)爭(zhēng)不等于戰(zhàn)爭(zhēng)，并沒(méi)有真正意義的失敗者，只要你參與競(jìng)爭(zhēng)，就能從中獲得科技進(jìn)步，分享科技成就。在超算領(lǐng)域，我們已經(jīng)是國(guó)際上數(shù)一數(shù)二的競(jìng)爭(zhēng)者，這本身就非常了不起。而在超算的競(jìng)爭(zhēng)中，我們同樣能在高性能芯片、構(gòu)架系統(tǒng)、軟件應(yīng)用等眾多方面積累領(lǐng)先的成果，實(shí)現(xiàn)最終理想。