[科普中國(guó)]-最強(qiáng)大腦：“神威·太湖之光”

北京時(shí)間6月20日，TOP500組織在法蘭克福世界超算大會(huì)（ISC）上發(fā)布了第47屆世界超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)。國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心運(yùn)營(yíng)的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)登頂榜單之首，成為世界上首臺(tái)運(yùn)算速度超過(guò)十億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)。此前，由我國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號(hào)”已創(chuàng)下“六連冠”的輝煌戰(zhàn)績(jī)，這也標(biāo)志著我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制能力已位居世界先進(jìn)水平。
本屆世界超算大會(huì)（ISC）上，“神威·太湖之光”勇奪TOP 500冠軍頭銜成為世界上最快的計(jì)算機(jī)，天河二號(hào)力挫強(qiáng)敵守住第二名，中國(guó)超算上榜數(shù)量首次超越美國(guó)，可謂是拿獎(jiǎng)拿到手軟。
那么，站在世界之巔的“神威·太湖之光”究竟“神”在哪里？此次問(wèn)鼎TOP500榜首對(duì)于我國(guó)超算領(lǐng)域發(fā)展又有怎樣的意義？我們特邀參與了本次世界超算大會(huì)（ISC）中科院計(jì)算所張?jiān)迫芯繂T進(jìn)行專題訪問(wèn)。

圖1 “神威·太湖之光”問(wèn)鼎TOP500榜首

關(guān)于TOP500的冷知識(shí)
本次中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”問(wèn)鼎TOP500榜首，讓無(wú)數(shù)中國(guó)人熱血沸騰，相信很多人在激動(dòng)的同時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同的問(wèn)題，TOP500究竟是什么鬼？難道是超級(jí)計(jì)算機(jī)屆的奧運(yùn)會(huì)？
其實(shí)，國(guó)際TOP500組織是一個(gè)具有較長(zhǎng)歷史的用于發(fā)布全球已安裝超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)排名的權(quán)威機(jī)構(gòu)，以超級(jí)計(jì)算機(jī)基準(zhǔn)程序Linpack測(cè)試值為序進(jìn)行排名，每年發(fā)布兩次，其目的是促進(jìn)國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的交流和合作，促進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用。張?jiān)迫榻B說(shuō)，TOP500世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜最早可由德國(guó)慕尼黑大學(xué)的漢斯教授在1993年發(fā)起，每年發(fā)布兩次，至今已有23年的歷史，剛剛落幕的法蘭克福世界超算大會(huì)（ISC）上已經(jīng)是第47屆。
此外，TOP500排行榜的發(fā)布場(chǎng)合也是國(guó)際權(quán)威。TOP500組織每年發(fā)布兩次超級(jí)計(jì)算機(jī)排名情況，分別是在德國(guó)舉辦的世界超算大會(huì)（ISC）和在美國(guó)舉辦的世界超算大會(huì)（SC），代表著超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)際水平，同時(shí)也是各國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展水平的標(biāo)桿。
除了歷史悠久、發(fā)布場(chǎng)合權(quán)威，TOP500排行榜采取的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)也是業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，也就是根據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)基準(zhǔn)程序Linpack測(cè)試值進(jìn)行排序。張?jiān)迫忉屨f(shuō)，Linpack現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上最為流行的用于測(cè)試高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)浮點(diǎn)性能的benchmark（基準(zhǔn)點(diǎn)）。通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解N元一次稠密線性代數(shù)方程組的測(cè)試，從而評(píng)價(jià)高性能計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)性能。這也是一個(gè)公開(kāi)客觀的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)審結(jié)果是得到業(yè)界廣泛認(rèn)可的。
如果說(shuō)奧運(yùn)會(huì)是人類挑戰(zhàn)生理極限的平臺(tái)，那么世界超算大會(huì)（ISC）則是人類借助計(jì)算機(jī)挑戰(zhàn)運(yùn)算極限的陣地。所以，“神威·太湖之光”問(wèn)鼎TOP500榜首也是對(duì)于中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展成果的肯定，讓中國(guó)制造再次登上了國(guó)際舞臺(tái)。

圖2 TOP500組織標(biāo)志

三招“必殺技”：中國(guó)超算顯神威
超級(jí)計(jì)算機(jī)新科世界冠軍——“神威·太湖之光”位于江蘇省國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心，它是一套非常宏大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由四十余個(gè)高度集成的機(jī)柜組成，是名副其實(shí)的“最強(qiáng)大腦”。那么，作為世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，“神威·太湖之光”一舉拿下TOP500冠軍的過(guò)人之處有哪些？張?jiān)迫獮槲覀冞M(jìn)行了解讀，“必殺技能”有三招。
第一招——速度較量，唯快不破。張?jiān)迫硎?，“神威·太湖之光”的峰值運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到了每秒12.54億億次，其一分鐘的計(jì)算能力相當(dāng)于全球72億人口同時(shí)用計(jì)算器連續(xù)不間斷計(jì)算32年，這是全球第一臺(tái)運(yùn)行速度超過(guò)10億億次/秒的超級(jí)計(jì)算機(jī)。同時(shí)，其持續(xù)計(jì)算速度達(dá)到了每秒9.3億億次，是此前的世界冠軍“天河二號(hào)”的3倍，是目前世界上持續(xù)計(jì)算能力最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。在超級(jí)計(jì)算機(jī)基準(zhǔn)程序Linpack測(cè)試中，“神威·太湖之光”僅用4小時(shí)就完成了“天河二號(hào)”20多個(gè)小時(shí)才能完成的運(yùn)算任務(wù)。也就是說(shuō)，“神威·太湖之光”的運(yùn)算速度和計(jì)算能力都“完勝”此前的 “天河二號(hào)”，這個(gè)世界冠軍實(shí)至名歸。

圖3 “神威·太湖之光”性能參數(shù)

第二招——最強(qiáng)大腦，中國(guó)芯?！吧裢ぬ狻敝該碛惺澜缱羁爝\(yùn)行速度，當(dāng)然還要?dú)w功于其強(qiáng)大的硬件支持。張?jiān)迫榻B說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)主要是依靠提高并行度和設(shè)備的規(guī)模來(lái)提升計(jì)算速度，“神威·太湖之光”擁有超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)處理器核，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天河二號(hào)的300多萬(wàn)個(gè)，從而極大地提升了其運(yùn)算規(guī)模和并行度。更加令人振奮的是，“神威·太湖之光”是首次完全用“中國(guó)芯”制造的中國(guó)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，此前“天河二號(hào)”使用的是英特爾至強(qiáng)處理器和Xeon Phi協(xié)處理器。作為“最強(qiáng)大腦”的“中國(guó)芯”，“申威26010”眾核處理器這個(gè)只有5厘米見(jiàn)方的小小薄塊，它集成了260個(gè)運(yùn)算核心，數(shù)十億晶體管，達(dá)到了每秒3萬(wàn)多億次計(jì)算能力，單芯片計(jì)算能力相當(dāng)于3臺(tái)2000年全球排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)。40960個(gè)“中國(guó)芯”同時(shí)工作，讓“神威·太湖之光”登上了世界計(jì)算巔峰。

圖4 申威26010眾核處理器

第三招——綠色節(jié)能，又快又省?！吧裢ぬ狻钡墓谋冗_(dá)到了每瓦60.51億次，在運(yùn)行速度和持續(xù)計(jì)算能力均大幅提升的同時(shí)，其功耗不升反降，成為世界上計(jì)算能力最強(qiáng)但是最綠色環(huán)保的超級(jí)計(jì)算機(jī)。張?jiān)迫硎?，以前TOP500的超級(jí)計(jì)算機(jī)，其功耗都比較大，而“神威·太湖之光”的持續(xù)性能和功耗比兩項(xiàng)均屬世界排名第一，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大幅領(lǐng)先其他超級(jí)計(jì)算機(jī)，這也體現(xiàn)出我國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域，不單單追求以“快”取勝，并且在自主可控、持續(xù)性能和綠色指標(biāo)等綜合性能方面都取得了突破性的進(jìn)展，并且達(dá)到了新的高度。
超算用途廣：比名次更重要的是造福人類
人類在體育競(jìng)技中，挑戰(zhàn)生理極限的同時(shí)，更多的是獲得精神上的激勵(lì)與鼓舞，而作為超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“奧運(yùn)會(huì)”，登頂TOP500榜首不是最終目的，造福人類才是“神威·太湖之光”的終極使命。
超級(jí)計(jì)算機(jī)在能源、航天、生物制藥等領(lǐng)域已經(jīng)有了豐富而卓有成效的應(yīng)用，截至目前，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心已經(jīng)承接了國(guó)內(nèi)30多個(gè)重大應(yīng)用項(xiàng)目。其中，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心在“神威太湖之光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上首次實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)核規(guī)模、高分辨率的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬。截至目前，國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心已經(jīng)承接了國(guó)內(nèi)30多個(gè)重大應(yīng)用項(xiàng)目。其中，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心在“神威太湖之光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上首次實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)核規(guī)模、高分辨率的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬。
張?jiān)迫€介紹說(shuō)，2016年度戈登貝爾獎(jiǎng)來(lái)自全球的6個(gè)提名中，“神威太湖之光”就占了3個(gè)，分別涉及大氣、海洋、材料三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。而戈登貝爾獎(jiǎng)作為計(jì)算機(jī)高性能應(yīng)用領(lǐng)域的最高榮譽(yù)，一直有超算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)之稱，“神威·太湖之光”的出現(xiàn)有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)在這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)上零的突破。

圖5 中科院計(jì)算所張?jiān)迫芯繂T

超級(jí)計(jì)算機(jī)，被稱為“國(guó)之重器”，超級(jí)計(jì)算屬于戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國(guó)競(jìng)相角逐的科技制高點(diǎn)，也是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一。自我國(guó)863計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，國(guó)家高度重視并且支持超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的研發(fā)，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)更是在2015年宣布對(duì)我國(guó)禁售高性能處理器。而“中國(guó)芯”“申威26010”的問(wèn)世，也成為我國(guó)自主研發(fā)打破30年技術(shù)封鎖的一柄利器?！吧裢ぬ狻庇聤Z榜首，可以說(shuō)為我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展打了一劑強(qiáng)心針。