中國太湖之光VS美國Summit 超算和我們有關(guān)嗎？

2018年6月8日，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室宣布，造出了目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，叫“Summit”（頂點(diǎn)）。頂點(diǎn)的出現(xiàn)取代了之前排在超算500強(qiáng)排行榜首位的中國的神威太湖之光。

估計(jì)很多人和之前的小編一樣，看到這樣的新聞和排名“無感”，首先覺得超算離我們的生活太遙遠(yuǎn)，太過高大上。其次覺得這個(gè)排名有那么重要嗎？就算中國排名第一了，又能改變什么呢？能改變中國芯片落后的現(xiàn)實(shí)嗎？

超算“超”在哪里？

很多人想當(dāng)然認(rèn)為超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算得那么快，比個(gè)人電腦快成千上萬倍？是因?yàn)槌�算用了一個(gè)比個(gè)人電腦的芯片快成千上萬倍的芯片。其實(shí)不是這樣的，世界上沒有這樣的芯片。

實(shí)際的辦法是，超算用了很多個(gè)芯片，讓它們同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，而單個(gè)芯片的性能跟個(gè)人電腦的芯片是差不多的。用科學(xué)術(shù)語來說，這叫做“并行計(jì)算”，這是高性能計(jì)算的基本思路。

那是不是用了n個(gè)芯片，計(jì)算速度就是單個(gè)芯片的n倍嗎？當(dāng)然不是。實(shí)際上，要讓多個(gè)芯片同時(shí)干事，就必須首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。然后，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)，這個(gè)數(shù)據(jù)通信也是要消耗時(shí)間的。因此，計(jì)算速度的增長，總是低于芯片數(shù)的增長。超算的速度與單個(gè)芯片速度的比值，稱為加速比，加速比總是低于芯片數(shù)的。

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，這些負(fù)擔(dān)的增加會(huì)抵消芯片增加的好處，因此加速比會(huì)達(dá)到飽和，不再上升。由此可見，芯片并不是越多越好的，一臺(tái)超算能夠容納下多少芯片，并不是取決于有多少錢能用來買芯片，而是取決于系統(tǒng)架構(gòu)。所以，芯片和超算架構(gòu)都是核心技術(shù)！值得一提的是，神威太湖之光用的芯片是中國自己生產(chǎn)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)。

超算有什么用？

超算既然這么厲害，那它到底有什么用？和我們的生活有什么聯(lián)系？

超算的用途非常廣泛，因?yàn)楝F(xiàn)在有太多的領(lǐng)域可以用計(jì)算來模擬了。例如空氣動(dòng)力學(xué)，這對(duì)飛機(jī)和汽車的設(shè)計(jì)都是非�；�本的。大家知道飛機(jī)和汽車需要吹風(fēng)洞，超算模擬就相當(dāng)于吹一個(gè)數(shù)值的風(fēng)洞。又如氣象預(yù)測(cè)，你想知道颶風(fēng)的移動(dòng)軌跡嗎？超算告訴你。又如宇宙的演化，你想知道銀河系是怎么變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的，以后會(huì)變成什么樣嗎？超算告訴你。有一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域叫做理論與計(jì)算化學(xué)，這個(gè)學(xué)科的主要內(nèi)容就是用計(jì)算來預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)、材料的性質(zhì)，那么超算的用處就更是一目了然了！

在超算業(yè)界，有一個(gè)最高級(jí)的獎(jiǎng)項(xiàng)叫做戈登·貝爾獎(jiǎng)（GordonBellPrize），是授予最杰出的高性能計(jì)算應(yīng)用的，每年頒發(fā)一次。理所當(dāng)然地，獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)的應(yīng)用，一般都是在最快的超算上運(yùn)行的。2016年和2017年，中國連續(xù)兩次獲得這個(gè)戈登·貝爾獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)的應(yīng)用分別叫做“千萬核可擴(kuò)展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”和“非線性地震模擬”，它們用的都是神威太湖之光。

如何看待太湖之光和Summit（頂點(diǎn)）

超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”由一排排電冰箱大小的黑色模塊單元構(gòu)成，總重340噸。這臺(tái)計(jì)算機(jī)是由IBM總包設(shè)計(jì)建設(shè)，采用了9216顆IBM Power9處理器和27648顆Nvidia Volta的GPU加速器，是第一臺(tái)基于AI打造的超級(jí)計(jì)算機(jī)。“頂點(diǎn)”浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值達(dá)每秒20億億次（200PFlops），性能超過中國“神威·太湖之光”（浮點(diǎn)運(yùn)算峰值每秒12.5億億次）約60%。

現(xiàn)在，超級(jí)計(jì)算機(jī)競賽正朝著下一個(gè)里程碑進(jìn)行： exascale計(jì)算（百萬兆級(jí)的計(jì)算）。在中國和美國之間的技術(shù)領(lǐng)先地位的日益激烈競爭中，達(dá)到“百萬兆級(jí)”里程碑是相互間較量的一部分。為了提高超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能，世界各地的研究百萬兆級(jí)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的工程師都在使用并行機(jī)制，這需要工程師們將成千上萬的芯片封裝到數(shù)百萬個(gè)被稱為“核心”的處理單元中。要想讓這些計(jì)劃都變成現(xiàn)實(shí)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間來做實(shí)驗(yàn)。

事實(shí)上，美國這次奪冠，對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來說絲毫不意外，因?yàn)檫@些研究項(xiàng)目都是公開的，幾年以前大家就都知道了。中國也正在發(fā)展下一代的超算，如果順利的話，可能在不久之后又會(huì)重回第一的位置，并且把超算速度從現(xiàn)在的每秒十億億次提高到百億億次的量級(jí)。每秒計(jì)算百億億次的超算，稱為E級(jí)超算，是現(xiàn)在全世界攻關(guān)的下一級(jí)臺(tái)階。

超算這么有技術(shù)含量、又這么有用的技術(shù)，那么無論哪個(gè)國家取得進(jìn)步，對(duì)全人類來說都是好事，都是值得肯定的。