6月25日, “超级计算机500强”(TOP500)最新榜单正式发布。时隔五年,美国超级计算机“Summit”终于超越中国超算神威·太湖之光,重回第一。

美国超算卷土重来意味着什么?中国还有反超的机会吗?超算未来的发展趋势是怎样的?为此,大院er访问了中国科学院计算技术研究所的张云泉研究员。

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图1 6月25日公布的超算TOP500的前十名

问:在最近的超算排行榜上,美国多年后重回榜首,意味着什么?

答: 超算TOP500每年发布两次,我们国家的天河2号和太湖之光,分别六次和四次拿到冠军,一共十次,相当于连续五年占据了TOP500的冠军位置。

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图2  超级计算机“神威·太湖之光”

美国政府为此很着急。之前由于奥巴马政府对超算不够重视,奥巴马只是在第二个任期快结束的时候才发布了一项总统令,加快超算研制的创新步伐。 而特朗普就任以后,却对超算极其重视,在砍掉了很多科学研究预算的情况下,超算的预算不但没砍,反而增加了。

几年前,美国部署了三台百P(相当于十亿亿次)量级的超级计算机,每秒的运算速度可以达到100P到200P左右,分别是Summit、Sierra、Aurora三台机器。目标有三个:第一当然是为美国的国家实验室研发世界领先的超级计算模拟系统,保持美国科学创新的领导地位;第二是希望保持美国在超级计算机研制上的技术优势和领先水平;第三就是希望把TOP500第一的位置夺回来。为此美国大概拨款了5个亿美元的预算,计划在2018年年底推出第一台机器,重返Top500榜首。

但是美国终究无法继续容忍中国再霸占世界TOP500的冠军位置半年,将原来的计划提前了半年,于今年6月份就调整计划推出了Summit、Sierra两台机器,作为双保险争夺世界第一,Summit直接将峰值性能提升到200P,终于如愿夺回世界第一的位置,美国终于松了一口气,重新找到老大的感觉。其实美国最早是想用峰值180P的Aurora来作为种子选手争夺世界第一的,但是由于英特尔负责研制的新Xeon Phil加速器无法按期完成,只好修改合同,直接去研发2021年完成的百亿亿次超级计算机A21。

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图3 美国超级计算机Summit

问:中国在超算领域的实力到底怎么样?未来要解决哪些问题?

答: 如果画一条中国超算的性能发展曲线的话,可以看到,中国的超算实际上是从一穷二白做起的。在2002年之前,TOP500上就没有中国的超算,或者说中国超算本身就很少。从2002年之后,经过15年的高速发展,中国超算的上榜数量,包括性能都是指数级增长,以旱地拔葱的方式一跃而起。

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图4 中国超算的跨越式发展

原来是美日欧三大集团瓜分世界超算TOP500的前三名,像马拉松一样,他们平稳地跑在第一方阵。而中国就属于从队尾直接冲到了第一方阵中的选手,我们超过了第三名的欧盟,超过了第二名的日本,最后又超过了美国,成为世界第一。15年的时间很不容易,从一穷二白到最后成为世界第一,中国超算机器的研发水平,现在确实是世界领先的,处在第一方阵的靠前水平。

但是我们也面临很多的困扰,我们的机器发展比较快,但是相应的应用和软件研制这块有点滞后,没有完全跟上,可能有投资原因,还有各种人才培养周期的原因。但是现在我们也在积极的解决这些问题,后期国家对软件研发、对人才的培养都加大了投资力度。这些问题还需要5到10年的时间去解决,达到平衡状态。

中国超算走过了一条比较特殊的路,就是机器发展拉动应用需求,也就是说我们机器的水平是超过了应用需求的。这是一种政府主导的快速发展模式。这个路现在是比较成功的。我们机器发展比较快,也带动应用的水平快速提升。但是未来我们希望能够用5到10年的时间,把这种发展模式转变成应用需求来拉动机器发展,这样更科学更合理。这种发展模式,也是西方发达国家现在的发展模式。

现在来看,我们已经连续两年拿了戈登贝尔奖(编者注:该奖设立于1987年,主要颁发给高性能应用领域最杰出成就,通常会由当年TOP500排行名列前茅的计算机系统的应用获得),说明应用水平提高还是很快的!

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图5 中国团队获得戈登贝尔奖

问:据说中国9月份就可以重回 TOP500 的榜首了,是真的吗?

答: 这个绝对是谣言,中国至少在今年是不可能重回TOP500榜首的。美国会占据排行榜第一名的位置大概至少两年的时间,蝉联四次冠军是有可能的。

至于在2020年有没有可能?也许有可能。我国的计划应该是在2020年左右,凭借百亿亿次超级计算机重新去夺回世界第一的位置。但是能不能夺回来,也很难说,因为美国、日本、欧盟也在强化研制下一代的超级计算机,他们都是计划在2021年左右推出,到底最后第一是谁还不一定。

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图6 2020年,中美超算的竞争将继续

近五年来,中国占据了 TOP500 的榜首,原因之一是我们的发展道路(机器发展拉动应用需求),但是也有运气成分,因为正好处在美日欧的低潮期。在这五年里,美日欧的研制计划都比较弱。日本国内对于要不要拿 TOP500 世界第一也有一些分歧,结果日本国会没有拨款,所以日本的研发计划一再拖延。欧盟是因为它本身没有实力自己研制,只能购买美日等国的产品。美国是因为正好处在奥巴马政府不重视的时期,预算被调整,本身的研制周期也出了问题。所以我们找到个空档,打了胜仗,这是难得遇到的历史机遇。

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图7 超算TOP500中美国与中国的份额对比

美国这次虽然拿了第一,但与中国的太湖之光所釆用的体系架构相比,并没有本质的区别。太湖之光的峰值是125P,美国的Summit是187P,没有量级上的性能差别。只是说由于Summit的投资力度大、研发时间晚,采用了新的工艺和技术,它的峰比太湖之光高一些,但是其在架构和技术上并没有拉开差距。

问:据说最新的天河3号和神威的原型机都要发布了,它们达到百亿亿次的水平了吗?

答: 这个是媒体误导,原型机很小,性能只有5P,也就是100P的1/20。只是一个测试性的样机,为未来的百亿亿次超级计算机探索技术路线图的,并不是最后的百亿亿次机。

问:下一代的超级计算机就是百亿亿次超算,会用到什么特别新的技术吗?

答: 现在全球的各个国家又重视超算了,都在重新调整战略。新一代的百亿亿次竞争就会从2020年开始。到底哪个国家先做出来?

百亿亿次超级计算机的最大的问题就是功耗控制,需要在半导体工艺上有很大的突破,才有可能把功耗控制在30兆瓦左右。如果说功耗控制没有发生革命性的降低,以现在的技术去搭建的话,它的功耗可能会达到一百兆瓦,就没法用了。电费也太贵,1年的电费相当于十亿人民币。所以国际上的竞争就是看谁有本事在30兆瓦的功耗预算的前提下,能够造出百亿亿次超级计算机,这个是目前最大的挑战。

问:说到超级计算机,我们总是“不明觉厉”,它到底能用来干什么?

答: 超级计算机简单的说就是“算天算地算人”,它的运算范围可以说是天文地理无所不包。

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图8 超级计算机运算范围无所不包

第一个方面是满足国家战略的运算需求,比如说核武器核力量研发、核反应堆的研发。

第二个方面是参与国家信息安全情报的大数据处理。

第三个方面是科学计算,研究各种科学问题。比如宇宙的演化、汽车的碰撞、药物的设计……方方面面的研究都会用到超级计算机。比如说,如果没有超级计算机,天气预报的水平就会跟不上的,精度也不够,准确率也不高。

第四个方面是大数据和人工智能。现在的人工智能研究大量地采用超级计算机的异构加速体系架构,很多互联网公司也在用GPU搭建大量超级计算机。

从这四个角度来说,它都有很大的作用。超算正越来越多的渗透到各行各业中去。

现在还出现了新的趋势,就是在这一轮的科技创新中,大数据、云计算,人工智能、区块链,还有边缘计算等等,这些热词的背后全都需要超强的计算能力,我们叫做算力经济。一个地方想发展新的高科技,如果没有很强的云计算平台或超级计算平台,算力经济的创新性都无从谈起。所以说,超级计算机在中国新的发展、新的科技创新中都是极为重要的一环。

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