美国禁运，国产超算面临怎样的挑战？

该来的总是要来的，这句话今天在高科技领域又一次得到了验证。中国制造的超级计算机连续数年登顶全球性能冠军后，为其提供核心处理器的美国企业终于被美国政府勒令停止与中方的合作。依赖进口芯片十余年后，国产超算不得不开始在国内寻求替代品。

超级计算机本质上就是一大堆小主机的集合体。过去二十年来，大部分超算使用的处理器和家用PC并无太大区别。由于运算芯片很容易在市面上买得到，业界一直公认超级计算机的核心技术主要是大规模网络互联和软件系统。这两项技术决定了那一大堆和PC没有多少区别的主机能否高效率地联合在一起发挥集体的最大力量。如今，中国制造的超算已经在这两大指标上取得世界领先地位，天河2号数度连冠的骄人成绩就是最好的证明。

然而技术的发展让形势发生了变化。自从GPGPU和众核芯片开始进入高性能计算领域，顶级超算越来越依赖这一类可以大幅提升性能的专用浮点处理器。Nvidia的Tesla和Intel的Xeon Phi是两种主流的超算专用芯片，它们和我们的PC使用的CPU有较多不同，在市面上也不是随处可见。

与此同时，Nvidia和Intel为了争夺市场，开始向超算制造商提前供应尚未正式发布的超算芯片。天河2号就曾提前半年获得Intel的Xeon Phi处理器，保证其能在年度性能排行榜上获得冠军殊荣。另一方面，这类芯片的软件优化也需要芯片厂商配合，这也让Intel、Nvidia与各家超算研制单位的合作不断加深。

在这样的背景下，美国的禁运政策就对中国的超算发展有了很大影响。与Intel、Nvidia等企业的合作被切断后国产超算就难以提前拿到新一代超算处理器，也难以获得软件开发的支持，研制进度就会被拖后半年到一年之久，登顶性能冠军宝座就会变得非常艰难。

无法再依赖进口芯片，改用国产处理器怎么样呢？现实并不乐观。国产超算用浮点处理器虽然已经研发多年，但如今却要面临两大技术障碍：

第一大问题是高带宽内存技术。超算芯片与我们普通PC使用的CPU的最大区别就是前者特别加强了浮点计算性能。今年新一代的Xeon Phi和明年的下一代Tesla都会有3T Flops的双精度浮点运算速度，大约是主流i7 4770 CPU的12倍之多。国内研制的申威众核计算芯片可以达到1T Flops的性能，但继续提高指标就要面临内存带宽的瓶颈。

超算运行的程序大都比较依赖内存带宽，如果带宽不足，浮点性能指标再高也没什么价值。新一代Xeon Phi和Tesla的内存带宽高达600G/s以上，是家用主流CPU的20多倍。为了实现如此之高的带宽，Intel和Nvidia使用了内存3D封装技术，将内存芯片和运算芯片叠在一起紧密相连。这一技术需要处理器研发企业和内存企业的深度合作，实现难度远超传统的内存方案。

国内的申威处理器与飞腾处理器几年前就开始进行3D封装内存技术的研究，但由于缺乏经验和内存企业的配合，时至今日仍然与Intel等差距巨大。事实上国产处理器过去一直使用第三方出售的内存控制器模块，即使是传统的内存系统的研制上都没什么经验，更不用说新一代3D封装内存了。掌握3D内存技术的Intel、Nvidia、AMD等企业也不可能向国内企业出售相应技术的授权，三星等内存制造商又很难给国内企业提供强有力的支持。内存问题不解决，申威、飞腾等超算芯片就难以做到媲美同期Xeon Phi、Tesla的高运算指标，这样国产超算面对装备Intel、Nvidia芯片的美国对手时就会力不从心。

制约超算芯片发展的另一大关键技术是高带宽互联总线。我们PC中常见的PCIe总线对于高浮点性能的超算处理器的互联来说太过缓慢，区区32G/s的带宽如同狭窄的双车道马路。下一代Xeon Phi和Tesla将升级到带宽超过100G/s的专用总线，大大缓解系统中大量处理器数据交换的拥堵现象。Intel甚至会首次应用硅光子技术，以光路取代电路在芯片间高速交换信息，降低总线的复杂度、功耗并提供更强的性能。

国产处理器在这一方面仍然处于明显落后的局面。新一代申威、飞腾等浮点处理器使用的互联方案依旧是PCIe的水平，两三年内都难以追上美国企业。而硅光子传输这样的先进技术领域，国内企业仍处于中期研究阶段，离实际部署有着很长的距离。总线带宽不足意味着国产超算难以通过部署更多数量的芯片通过数量优势占据主动，也就无法抹除单个芯片性能不足带来的劣势。

进口芯片没法提前买到，国产处理器又面临两大技术难题的困扰无法匹敌美国产品，未来几年全球超算排行榜上中国登顶的机会就会十分渺茫。不过排行榜只是个荣誉，单纯追求排名并没有太大意义。如果中国在美国禁运后加大对自主芯片的投入，为更长远的未来做好准备，那么在几年的颓势过后，搭载国产处理器的中国超级计算机还是可以与美国的顶尖系统一决高下的。而且借此机会国产处理器还可以在其他领域获得长足进步，甚至在一些关键行业取代进口处理器，这不能不说是一个大好机会。塞翁失马焉知非福，或许中国自主研制的处理器就将因美国禁运政策而从此崛起，中国科技产业多年的一大梦想如今有希望实现了。

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