超算，超級(jí)計(jì)算機(jī)，是所有計(jì)算機(jī)中運(yùn)算速度最快、性能最強(qiáng)的一類，在科研和軍事等尖端領(lǐng)域擁有舉足輕重的地位，是綜合國(guó)力的體現(xiàn)，堪稱國(guó)之重器。或許這些高尖端的龐然大物距離我們尋常百姓的生活很遙遠(yuǎn)，所以我們甚至無(wú)法感知到它們的存在。但近期一些事件和一些消息則刺痛了很多國(guó)人的神經(jīng)：美國(guó)最新發(fā)布“Summit”超級(jí)計(jì)算機(jī)在時(shí)隔五年之后，終于從中國(guó)的“神威·太湖之光”手中奪回“世界第一超算”寶座。
美國(guó)“Summit”重奪世界第一超算寶座
what？我們居然在這么高尖端的領(lǐng)先過(guò)美國(guó)長(zhǎng)達(dá)五年之久？一些小伙伴看到這則消息時(shí)或許會(huì)有這樣的感嘆。沒(méi)錯(cuò)，答案是肯定的。出于好奇，筆者順著這條新聞線索在這個(gè)陌生的領(lǐng)域找到了很多有趣的數(shù)據(jù)和有意思的故事，不敢獨(dú)享決定梳理出來(lái)分享給大家。
單個(gè)Summit超算服務(wù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
借著Summit這個(gè)狠角色，我們先來(lái)進(jìn)行一些科普小知識(shí)，超算究竟擁有如何驚世駭俗的計(jì)算能力呢？Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)由IBM主導(dǎo)完成，整個(gè)超級(jí)系統(tǒng)由4608臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含2個(gè)22核IBM Power9處理器（負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)）和6個(gè)NVIDIA Tesla V100圖形處理單元加速器（負(fù)責(zé)計(jì)算），并可提供每秒高達(dá)20億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值！
27648枚NVIDIA Tesla V100 GPU核心提供超強(qiáng)算力
那么，該如何理解這個(gè)每秒20億億次浮點(diǎn)運(yùn)算呢？如果以我們常見(jiàn)的筆記本電腦為參照物的話，Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力相當(dāng)于100萬(wàn)臺(tái)筆記本；假如一個(gè)人每秒可進(jìn)行1次運(yùn)算，他需要活到63億年以上才能與Summit的每一秒運(yùn)算量相當(dāng)。
算力驚人Summit自然也是個(gè)大家伙，4608個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)都有如冰箱大小，總重量高達(dá)340噸，它被放置在將近900平米的一個(gè)超大房間內(nèi)，據(jù)稱連接這些節(jié)點(diǎn)的線纜就有接近300公里的長(zhǎng)度。由于算力驚人自然，發(fā)熱量自然巨大，因此全部采用水冷的散熱方式。Summit每運(yùn)行1分鐘，就需要1.5萬(wàn)升冷卻液的流量，而它消耗的電量足以為超過(guò)8000個(gè)美國(guó)家庭提供照明。
既然我們知道了美國(guó)Summit超算的實(shí)力不俗，那么中國(guó)的超算水平又在什么段位？
全球超算排排坐 中國(guó)實(shí)力并不弱
對(duì)于全球超級(jí)計(jì)算機(jī)的排名情況，全球有一個(gè)比較公認(rèn)的“TOP500”榜單，這是由國(guó)外權(quán)威的超算專家聯(lián)合編制，在全球具有較高的公信力。在2018年度“超算TOP500榜”中，美國(guó)IBM最新發(fā)布的Summit和Sierra已經(jīng)分列榜單的冠第1和第3名，而此前蟬聯(lián)多年榜首的中國(guó)的“神威·太湖之光”和“天河2號(hào)”已經(jīng)下降至第2和第4名的位置。
全球超算TOP500榜前十位（www.top500.org）
而如果你仔細(xì)查看這個(gè)榜單的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的排名是按照Rmax（實(shí)測(cè)峰值）和Rpeak（理論峰值）來(lái)進(jìn)行排序。而對(duì)于任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)而言，Rpeak理論性能更多的是一種參考，Rmax實(shí)測(cè)性能則顯得更為關(guān)鍵，即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也是如此。接下來(lái)我們將范圍縮小至TOP5，看看這些世界頂級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)究竟在實(shí)力上有多大差距。
全球頂級(jí)超算TOP5實(shí)力排名
此前榜單的頭把交椅由中國(guó)的神威·太湖之光把持?jǐn)?shù)年，美國(guó)在五年之后發(fā)布Summit，重新奪回第一個(gè)寶座。從數(shù)據(jù)來(lái)看，Summit的實(shí)測(cè)峰值比神威·太湖之光高出了31%左右。由于我們采用實(shí)測(cè)峰值數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行比較，再考慮到兩者創(chuàng)建時(shí)間的差別，因此兩者的實(shí)際差距其實(shí)并非像有些媒體宣稱的那樣近乎倍數(shù)的懸殊差距。
中國(guó)超算實(shí)力規(guī)模依然全球最強(qiáng)
接下來(lái)這組數(shù)據(jù)將會(huì)更加有趣，此前有媒體把TOP500榜單中的所有超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了國(guó)別的歸類，發(fā)現(xiàn)來(lái)自中國(guó)的超算上榜206臺(tái)，比例高達(dá)41%。來(lái)自美國(guó)的超算上榜124臺(tái)，比例是25%，中美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)統(tǒng)治了全球超過(guò)65%的超級(jí)計(jì)算機(jī)，雖然個(gè)體被美國(guó)超越，但中國(guó)超算的規(guī)模仍為全球當(dāng)之無(wú)愧的第一。
那么問(wèn)題來(lái)了，中國(guó)如何再次超越美國(guó)Summit重奪全球超算性能第一的寶座？有的小伙伴說(shuō)堆更多的處理器就好了，然而真實(shí)情況卻并非這么簡(jiǎn)單！
技術(shù)封鎖下崛起的中國(guó)“芯”勢(shì)力
構(gòu)建一整套全球頂級(jí)的超算系統(tǒng)并非是單純的堆砌處理器這么簡(jiǎn)單，首先要有足夠強(qiáng)悍的計(jì)算個(gè)體芯片、先進(jìn)的運(yùn)算管理技術(shù)、操作系統(tǒng)的支持，以及足夠的財(cái)力支持才能夠造的出。當(dāng)然這一切的背后，最核心的因素是還要有國(guó)家層面的政策扶持，以及足夠的尖端科技人才儲(chǔ)備。所以說(shuō)，超算是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)一點(diǎn)也不為過(guò)。
我國(guó)的超算起步比較晚，但是進(jìn)步神速，這和我國(guó)高速發(fā)展需求和國(guó)家政策支持有著密不可分的關(guān)系。中國(guó)的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)曾經(jīng)6次蟬聯(lián)世界超算TOP500冠軍，確立了中國(guó)在全球超算中的絕對(duì)地位。但是由于天河二號(hào)早期使用的是intel Xeon的芯片方案，引來(lái)了一些質(zhì)疑和非議。中國(guó)超算的快速崛起也使得美國(guó)政府在2015年頒布了引發(fā)轟動(dòng)的“限售”事件：美國(guó)政府嚴(yán)禁intel等公司向中國(guó)四家超算中心出口高性能計(jì)算芯片。
國(guó)產(chǎn)Matrix-2000加速器替代intel Xeon
最近中美貿(mào)易摩擦和中興事件讓中國(guó)“芯”提升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，其實(shí)在很多年以前美國(guó)就已經(jīng)對(duì)我國(guó)的高尖端芯片領(lǐng)域進(jìn)行“技術(shù)封鎖”。2015年美國(guó)“限售”事件爆發(fā)，中國(guó)決定采用國(guó)產(chǎn)芯片替代。直至2017年9月份，廣州超算中心宣布年底前升級(jí)天河2號(hào)超算系統(tǒng)，使用國(guó)產(chǎn)加速器Matrix-2000取代原本的Intel Xeon Phi加速器。通過(guò)國(guó)產(chǎn)芯片升級(jí)后的天河2A超級(jí)計(jì)算機(jī)取得了算力翻倍的驚人成績(jī)。
國(guó)產(chǎn)Matrix-2000賦予天河2A性能翻倍的
國(guó)產(chǎn)Matrix-2000的出現(xiàn)打破了美國(guó)的“技術(shù)封鎖”，升級(jí)后的天河2A超級(jí)計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)性能從之前的54.9PFLOPS提升到了94.97PFLOPS，互聯(lián)與I/O方面性能指標(biāo)也獲得了較大幅度的技術(shù)進(jìn)步。網(wǎng)絡(luò)帶寬從原來(lái)的10Gbps升級(jí)到了14Gbps，延遲從1.57us降至1us，內(nèi)存容量從1.4PB升級(jí)到了3.4PB，存儲(chǔ)容量從12.4PB升級(jí)到了19PB，帶寬翻倍到1TB/s，而功耗則從17.8MW降至16.9MW，能效大幅提升。
天河2A超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)芯片替代
略帶神秘色彩的Matrix-2000芯片是由國(guó)防科大自主研發(fā)設(shè)計(jì)，網(wǎng)傳由天津邁創(chuàng)公司出品。在中國(guó)超算白手起家的內(nèi)憂，疊加美國(guó)“禁售”的外患的大背景下，中國(guó)超算憑借自主研發(fā)的Matrix-2000實(shí)現(xiàn)“絕地反殺”，此舉無(wú)疑可以載入史冊(cè)。
唯有堅(jiān)定完全自主研發(fā)才是出路
自中國(guó)863計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)受到了國(guó)家的高度重視，但由于基礎(chǔ)薄弱起步較晚，在國(guó)際舞臺(tái)中一直受制于人。美國(guó)商務(wù)部2015年實(shí)施“禁售”高端芯片事件爆發(fā)，更是堅(jiān)定了我國(guó)高端芯片自主研發(fā)的路線，并被提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。中國(guó)目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)——神威·太湖之光就是在這樣的背景下誕生的。
再次實(shí)現(xiàn)超越的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)
神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)安裝了40960個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。2016年，國(guó)際TOP500組織發(fā)布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)登頂榜單之首， 不僅速度比第二名“天河二號(hào)”快出近兩倍，其效率也提高3倍。
神秘的申威26010眾核處理器
申威26010眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能3.168萬(wàn)億次每秒，核心工作頻率1.5GHz。“神威太湖之光”里安裝有40960個(gè)這樣的處理器。使用中國(guó)自主芯片制造的“神威太湖之光”取代“天河二號(hào)”登上榜首，中國(guó)超算上榜總數(shù)量也有史以來(lái)首次超過(guò)美國(guó)名列第一。
申威26010眾核處理器的出現(xiàn)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)Intel Xeon Phi加速卡的替代。雖然在單片的性能上仍舊跟Intel Xeon存在性能上的差距，但是得益于體積和功耗上面的優(yōu)勢(shì)，可使得一個(gè)小小的機(jī)箱就可放置256個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，同體積計(jì)算性能反殺Intel Xeon Phi。
某專題片對(duì)申威26010的報(bào)道
相比其他國(guó)產(chǎn)芯片，申威則要顯得更加低調(diào)和神秘一些，因?yàn)樯晖幚砥髯哉Q生之初就背負(fù)著軍工國(guó)防和國(guó)家信息安全的使命，其研發(fā)單位總參謀部第五十六研究所（無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所）于2003年開(kāi)始著手設(shè)計(jì)中國(guó)人自己的高性能芯片。在國(guó)家"核高基"重大專項(xiàng)支持下，申威處理采用自主指令集開(kāi)發(fā)，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
天河三號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)有望2020年研制成功
雖然目前我國(guó)兩臺(tái)重量級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”和“天河2A”被來(lái)自美國(guó)的“Summit”和“Sierra”所超越，但兩強(qiáng)交手互有勝負(fù)也在情理之中。據(jù)最新的消息顯示，我國(guó)“天河三號(hào)”目前正在積極的研發(fā)大眾，并有望在2020年重新奪回第一寶座，并實(shí)現(xiàn)對(duì)“神威·太湖之光”高達(dá)八倍的性能超越。更加值得期待的是，“天河三號(hào)”有望采用全自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自主飛騰CPU、自主天河高速互聯(lián)通信，以及自主麒麟操作系統(tǒng)。
然而我們必須清醒的意識(shí)到，在芯片領(lǐng)域我們所面臨的對(duì)手是如此強(qiáng)大，無(wú)論IBM、intel、nVIDIA任何一個(gè)芯片公司都具有足夠強(qiáng)大的實(shí)力。同時(shí)需要特別注意的是，早在5年前，美國(guó)政府就已經(jīng)停止為超級(jí)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的贊助撥款。轉(zhuǎn)而開(kāi)始大力投資量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作。這也是此前美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)止步不前，最終被中國(guó)一舉超越的重要原因。
擺在國(guó)產(chǎn)芯片面前的挑戰(zhàn)和使命同樣重大，在當(dāng)前的國(guó)際局勢(shì)下，唯有鑒定的走自主研發(fā)的道路，徹底擺脫受制于人才是唯一出路。無(wú)論是2020年即將投入使用的“天河三號(hào)”，還是“神威·太湖之光”后續(xù)的升級(jí)，在關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和信息安全的超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)芯片將會(huì)愈發(fā)壯大，讓我們拭目以待！