來源：科學大院

　　6月25日， “超級計算機500強”（TOP500）最新榜單正式發(fā)布。時隔五年，美國超級計算機“Summit”終于超越中國超算神威·太湖之光，重回第一。

　　美國超算卷土重來意味著什么？中國還有反超的機會嗎？超算未來的發(fā)展趨勢是怎樣的？為此，大院er訪問了中國科學院計算技術研究所的張云泉研究員。

圖1 6月25日公布的超算TOP500的前十名

　　問：在最近的超算排行榜上，美國多年后重回榜首，意味著什么？

　　答：超算TOP500每年發(fā)布兩次，我們國家的天河2號和太湖之光，分別六次和四次拿到冠軍，一共十次，相當于連續(xù)五年占據(jù)了TOP500的冠軍位置。

圖2  超級計算機“神威·太湖之光”

　　美國政府為此很著急。之前由于奧巴馬政府對超算不夠重視，奧巴馬只是在第二個任期快結束的時候才發(fā)布了一項總統(tǒng)令，加快超算研制的創(chuàng)新步伐。 而特朗普就任以后，卻對超算極其重視，在砍掉了很多科學研究預算的情況下，超算的預算不但沒砍，反而增加了。

　　幾年前，美國部署了三臺百P（相當于十億億次）量級的超級計算機，每秒的運算速度可以達到100P到200P左右，分別是Summit、Sierra、Aurora三臺機器。目標有三個：第一當然是為美國的國家實驗室研發(fā)世界領先的超級計算模擬系統(tǒng)，保持美國科學創(chuàng)新的領導地位；第二是希望保持美國在超級計算機研制上的技術優(yōu)勢和領先水平；第三就是希望把TOP500第一的位置奪回來。為此美國大概撥款了5個億美元的預算，計劃在2018年年底推出第一臺機器，重返Top500榜首。

　　但是美國終究無法繼續(xù)容忍中國再霸占世界TOP500的冠軍位置半年，將原來的計劃提前了半年，于今年6月份就調整計劃推出了Summit、Sierra兩臺機器，作為雙保險爭奪世界第一，Summit直接將峰值性能提升到200P，終于如愿奪回世界第一的位置，美國終于松了一口氣，重新找到老大的感覺。其實美國最早是想用峰值180P的Aurora來作為種子選手爭奪世界第一的，但是由于英特爾負責研制的新Xeon Phil加速器無法按期完成，只好修改合同，直接去研發(fā)2021年完成的百億億次超級計算機A21。

圖3 美國超級計算機Summit

　　問：中國在超算領域的實力到底怎么樣？未來要解決哪些問題？

　　答：如果畫一條中國超算的性能發(fā)展曲線的話，可以看到，中國的超算實際上是從一窮二白做起的。在2002年之前，TOP500上就沒有中國的超算，或者說中國超算本身就很少。從2002年之后，經(jīng)過15年的高速發(fā)展，中國超算的上榜數(shù)量，包括性能都是指數(shù)級增長，以旱地拔蔥的方式一躍而起。

圖4 中國超算的跨越式發(fā)展

　　原來是美日歐三大集團瓜分世界超算TOP500的前三名，像馬拉松一樣，他們平穩(wěn)地跑在第一方陣。而中國就屬于從隊尾直接沖到了第一方陣中的選手，我們超過了第三名的歐盟，超過了第二名的日本，最后又超過了美國，成為世界第一。15年的時間很不容易，從一窮二白到最后成為世界第一，中國超算機器的研發(fā)水平，現(xiàn)在確實是世界領先的，處在第一方陣的靠前水平。

　　但是我們也面臨很多的困擾，我們的機器發(fā)展比較快，但是相應的應用和軟件研制這塊有點滯后，沒有完全跟上，可能有投資原因，還有各種人才培養(yǎng)周期的原因。但是現(xiàn)在我們也在積極的解決這些問題，后期國家對軟件研發(fā)、對人才的培養(yǎng)都加大了投資力度。這些問題還需要5到10年的時間去解決，達到平衡狀態(tài)。

　　中國超算走過了一條比較特殊的路，就是機器發(fā)展拉動應用需求，也就是說我們機器的水平是超過了應用需求的。這是一種政府主導的快速發(fā)展模式。這個路現(xiàn)在是比較成功的。我們機器發(fā)展比較快，也帶動應用的水平快速提升。但是未來我們希望能夠用5到10年的時間，把這種發(fā)展模式轉變成應用需求來拉動機器發(fā)展，這樣更科學更合理。這種發(fā)展模式，也是西方發(fā)達國家現(xiàn)在的發(fā)展模式。

　　現(xiàn)在來看，我們已經(jīng)連續(xù)兩年拿了戈登貝爾獎（編者注：該獎設立于1987年，主要頒發(fā)給高性能應用領域最杰出成就，通常會由當年TOP500排行名列前茅的計算機系統(tǒng)的應用獲得），說明應用水平提高還是很快的！

圖5 中國團隊獲得戈登貝爾獎

　　問：據(jù)說中國9月份就可以重回TOP500的榜首了，是真的嗎？

　　答：這個絕對是謠言，中國至少在今年是不可能重回TOP500榜首的。美國會占據(jù)排行榜第一名的位置大概至少兩年的時間，蟬聯(lián)四次冠軍是有可能的。

　　至于在2020年有沒有可能？也許有可能。我國的計劃應該是在2020年左右，憑借百億億次超級計算機重新去奪回世界第一的位置。但是能不能奪回來，也很難說，因為美國、日本、歐盟也在強化研制下一代的超級計算機，他們都是計劃在2021年左右推出，到底最后第一是誰還不一定。

圖6 2020年，中美超算的競爭將繼續(xù)

　　近五年來，中國占據(jù)了TOP500的榜首，原因之一是我們的發(fā)展道路（機器發(fā)展拉動應用需求），但是也有運氣成分，因為正好處在美日歐的低潮期。在這五年里，美日歐的研制計劃都比較弱。日本國內對于要不要拿TOP500世界第一也有一些分歧，結果日本國會沒有撥款，所以日本的研發(fā)計劃一再拖延。歐盟是因為它本身沒有實力自己研制，只能購買美日等國的產(chǎn)品。美國是因為正好處在奧巴馬政府不重視的時期，預算被調整，本身的研制周期也出了問題。所以我們找到個空檔，打了勝仗，這是難得遇到的歷史機遇。

圖7 超算TOP500中美國與中國的份額對比

　　美國這次雖然拿了第一，但與中國的太湖之光所釆用的體系架構相比，并沒有本質的區(qū)別。太湖之光的峰值是125P，美國的Summit是187P，沒有量級上的性能差別。只是說由于Summit的投資力度大、研發(fā)時間晚，采用了新的工藝和技術，它的峰比太湖之光高一些，但是其在架構和技術上并沒有拉開差距。

　　問：據(jù)說最新的天河3號和神威的原型機都要發(fā)布了，它們達到百億億次的水平了嗎？

　　答：這個是媒體誤導，原型機很小，性能只有5P，也就是100P的1/20。只是一個測試性的樣機，為未來的百億億次超級計算機探索技術路線圖的，并不是最后的百億億次機。

　　問：下一代的超級計算機就是百億億次超算，會用到什么特別新的技術嗎？

　　答：現(xiàn)在全球的各個國家又重視超算了，都在重新調整戰(zhàn)略。新一代的百億億次競爭就會從2020年開始。到底哪個國家先做出來？

　　百億億次超級計算機的最大的問題就是功耗控制，需要在半導體工藝上有很大的突破，才有可能把功耗控制在30兆瓦左右。如果說功耗控制沒有發(fā)生革命性的降低，以現(xiàn)在的技術去搭建的話，它的功耗可能會達到一百兆瓦，就沒法用了。電費也太貴，1年的電費相當于十億人民幣。所以國際上的競爭就是看誰有本事在30兆瓦的功耗預算的前提下，能夠造出百億億次超級計算機，這個是目前最大的挑戰(zhàn)。

　　問：說到超級計算機，我們總是“不明覺厲”，它到底能用來干什么？

　　答：超級計算機簡單的說就是“算天算地算人”，它的運算范圍可以說是天文地理無所不包。

圖8 超級計算機運算范圍無所不包

　　第一個方面是滿足國家戰(zhàn)略的運算需求，比如說核武器核力量研發(fā)、核反應堆的研發(fā)。

　　第二個方面是參與國家信息安全情報的大數(shù)據(jù)處理。

　　第三個方面是科學計算，研究各種科學問題。比如宇宙的演化、汽車的碰撞、藥物的設計……方方面面的研究都會用到超級計算機。比如說，如果沒有超級計算機，天氣預報的水平就會跟不上的，精度也不夠，準確率也不高。

　　第四個方面是大數(shù)據(jù)和人工智能?，F(xiàn)在的人工智能研究大量地采用超級計算機的異構加速體系架構，很多互聯(lián)網(wǎng)公司也在用GPU搭建大量超級計算機。

　　從這四個角度來說，它都有很大的作用。超算正越來越多的滲透到各行各業(yè)中去。

　　現(xiàn)在還出現(xiàn)了新的趨勢，就是在這一輪的科技創(chuàng)新中，大數(shù)據(jù)、云計算，人工智能、區(qū)塊鏈，還有邊緣計算等等，這些熱詞的背后全都需要超強的計算能力，我們叫做算力經(jīng)濟。一個地方想發(fā)展新的高科技，如果沒有很強的云計算平臺或超級計算平臺，算力經(jīng)濟的創(chuàng)新性都無從談起。所以說，超級計算機在中國新的發(fā)展、新的科技創(chuàng)新中都是極為重要的一環(huán)。