中美之争丨超级计算机的博弈

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超级计算机（Supercomputer），是指在当时的生产工艺条件下，采用最先进的技术、工艺设计生产出来的功能最强、运算速度最快、存储容量最大、面向科学与工程的最高档次的电子计算机系统[1]。

世界上谁最早提出了超级计算机的概念已经无法考证，但是第一个从真正意义上研发出符合超级计算机定义产品的人是西蒙·克雷（Seymour R. Cray），他研制的以Cray-1亿次超级计算机为代表的“克雷”系列是当时世界最快的超级计算机，引领国际超级计算机发展潮流数十年。他无可争议地被人们尊称为“世界超级计算机之父”[2]。

☝  西蒙·克雷

Seymour R. Cray, 1925-1996

超级计算机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

1.

超算TOP500“你追我赶”

对全球商用超级计算机进行“排座次”的知名排行榜——TOP500榜单[3]由ISC集团（ISC Group）于1993年6月起开始发布，每半年更新一次（每年6月和11月发布最新榜单）。

2010年11月，中国“天河一号”曾登上榜首，但随后（2011年6月）被日本超越。

2013年6月，中国“天河二号”逆袭，从美国“泰坦”（Titan）手中夺得榜首位置，并开启了3年“六连冠”的霸屏模式。直至2016年6月被中国“神威⋅太湖之光”取代，后者达成2年“四连冠”。

☝  神威⋅太湖之光

来源：网络

2018年6月，美国“顶点”（Summit）超越中国“神威⋅太湖之光”，让美国重回TOP500榜首。“神威⋅太湖之光”和“天河二号”分列二、四，第三为美国“山脊”（Sierra）。

☝  顶点（Summit）

Credit: Carlos Jones, Oak Ridge National Laboratory / US Department of Energy

“顶点”有9216个中央处理器（CPU）芯片和27648个图形处理单元(GPUs)[4]。“顶点”一秒钟的计算水平相当于地球上所有人每人每秒计算一次并连续计算305天。

GPU是超级计算机执行高水平运算的主力。CPU由几个具有高速缓存内存的核心组成，一次只能处理几个操作；而GPU可以同时处理许多操作，并且可以在大量数据上快速执行同样的操作。与CPU相比，GPU能够加快处理速度，同时提高电源效率[5]。

2018年11月，美国“顶点”蝉联榜首，并且扩大了领先优势，其最大运算速度从122.3千万亿次浮点运算每秒（PFLOPS）增加到143.5 PFLOPS；同时，“山脊”以94.64 PFLOPS的最大运算速度超越“神威⋅太湖之光”的93.014 PFLOPS，升至第二。

值得注意的是，“顶点”和“山脊”使用的都是IBM Power 9处理器及NVIDIA Tesla GV100加速卡。

2019年6月17日公布的最新榜单中，美国“顶点”继续蝉联榜首。第二至第四排名不变。美国“远山”（Frontera）新上榜即攀升至第五。

☟  2019年6月TOP500榜单前十[3]

尽管现在世界上最快的两台超级计算机在美国，但中国在TOP500榜单中仍拥有数量最多的超级计算机。

在2019年6月的榜单中，中国超级计算机数量（219台）与2018年11月（227台）相比略有下降，但仍占据第一（44%）；美国则上升至116台，占23％。总运算能力上，美国占比仍高于中国，表明美国超级计算机具备更强的平均运算能力。

TOP500榜单中其他国家占有数：日本29台（第三），其次是法国19台，英国18台，德国14台[3]。

TOP500的主要供应商是联想（173）、浪潮（71）、曙光（63）、Cray（42）、HPE（40）、Bull（21）、Dell EMC（17）、富士通（14）、IBM（20）和华为（7）。需要说明的是，联想所占份额较大与之前收购IBM X86服务器业务有关；HPE则于今年5月宣布收购Cray。

2.

Green500榜单

Green500榜单与TOP500相同，每年更新两次，旨在评选最节能的超级计算机系统。

☟  2019年6月Green500榜单前十[3]

由此看来，尽管中国超级计算机在运算速度上已居世界前列，但在能耗方面，与日本、美国相比，差距明显。

如何在降低能耗的基础上进一步提高运算速度，将是中国乃至世界计算机科学家面临的难题。

3.

E级超级计算机

E级超级计算机是指每秒可进行百亿亿次运算的超级计算机，被世界公认为超级计算机界的“下一顶皇冠”。

截至2018年底，中国已经有三套E级超级计算机原型机系统完成交付，分别为：神威E级原型机系统、“天河三号”E级原型机系统和曙光E级原型机系统。

☝  2018年7月22日，“天河三号”E级原型机系统已在国家超级计算天津中心完成研制部署，并顺利通过项目课题验收，将逐步进入开放应用阶段

来源：新华网

美国方面，2019年5月7日，美国能源部宣布，将斥资6亿美元授权美国Cray和AMD研制代号“前沿”（Frontier）的E级超级计算机。其浮点运算速度可达每秒150亿亿次，预计2021年交付。

4.

未来可期

国际竞争中的科技竞争是首当其冲的。中国的超级计算机研发和应用已处于世界前列，但我们不能放松警惕，继续降低能耗和提高运算速度是永恒的主题。

同时，在当前的时代背景下，如何尽快建立超级计算机关键技术自主知识产权体系、实现关键零部件完全国产化尤为重要，包括处理器、光电子元件、3D内存、新型存储设备、应用软件等。

中国超级计算机在不到20年的时间里，在TOP500中的数量从2001年的0提高到2019年的219台，发展速度令世人瞩目，实力不容小觑。

中国超算，未来可期。

✎改编丨张楠

☟ 参考文献

[1] 司宏伟, 冯立昇. 世界超级计算机之父：西蒙•克雷[J]. 自然辩证法通讯. 2018;40(7):127–133.

[2] About Seymour Cray. https://www.computer.org/volunteering/awards/cray/about-cray.

[3] TOP500.org. https://www.top500.org/.

[4] Teich P. Inside the Summit supercomputer. 2018 Jun 9. https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1333374#.

[5] Krewel K. What’s the difference between a CPU and a GPU? 2009 Dec 16. https://blogs.nvidia.com/blog/2009/12/16/whats-the-difference-between-a-cpu-and-a-gpu/.

☟ 改编原文

Palmer J. More Super Supercomputers[J]. Engineering 2019, 5(3). https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.04.007.

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