百億億級超級計算機(jī)中美交鋒 奪魁者誰

2013 年，中國憑借「天河二號（TH-2）」超級計算機(jī)成功擊敗美國的「泰坦（Titan，由 Cray——美國著名超級計算機(jī)制造商于美國橡樹嶺國家實驗室研造）」，成為世界上運(yùn)算速度最快的超級計算機(jī)。隨后，中國乘勝追擊，于 2016 年憑借「神威·太湖之光（Sunway TaihuLight）」超級計算機(jī)以近兩倍于「天河二號」的運(yùn)算速率與三倍于其的運(yùn)行效率，坐穩(wěn)了超級計算機(jī)領(lǐng)域的頭把交椅。至今，我國包攬了世界頂級超級計算機(jī)榜單的前兩位。

今年年初，中國趁熱打鐵，想要率先完成世界第一臺運(yùn)算速率為「百億億級」的超級計算機(jī)的研造。面對中國的威脅，美國能源部向惠普企業(yè)（Hewlett Packard Enterprise，簡稱 HPE，2013 年于美國惠普公司「HP Inc.」中分離出來，著力發(fā)展云計算解決方案）進(jìn)行研究撥款，命其根據(jù) The Machine 項目現(xiàn)有的技術(shù)來制訂百億億級超級計算機(jī)的參考設(shè)計方案。

這個 The Machine 項目是什么呢？它是由惠普企業(yè)在 2014 年開啟的一個旨在「徹底改造基礎(chǔ)計算結(jié)構(gòu)」的一個科研項目。然而該項目喜憂參半，以至于惠普企業(yè)后來并不打算將 The Machine 完整推向市場，而是將其精粹與革新部分融合到其他惠普企業(yè)的商業(yè)服務(wù)器和技術(shù)當(dāng)中。

（The Machine 設(shè)備一角）

回到正題?？v觀歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)世界上絕大多數(shù)的頂級超級計算機(jī)都是由美國能源部掌握并操控的。但近年來，中國開始以疾風(fēng)驟雨之勢占據(jù)這份榜單。中國的頂級超級計算機(jī)「神威·太湖之光」的最佳性能（每秒 93 千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算，petaflops：peta，10 的 15 次方，表千萬億次；flops，每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)）是美國第一超級計算機(jī)「泰坦」運(yùn)算速率（每秒 18 千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的五倍。

美國曾「桀驁不馴」地宣稱其將于 2021 年左右完成世界首個百億億級（相當(dāng)于每秒 1000 千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算速率）超級計算機(jī)的研發(fā)并將其投入使用，重新奪回美國在超級計算機(jī)領(lǐng)域的王座。但中國似要先聲奪人，今年一月份，我國超級計算機(jī)中心宣稱中國首臺百億億級超級計算機(jī)原型機(jī)將會在 2017 年年底研發(fā)完成，并預(yù)計在 2020 年之前投入使用。

（「泰坦」超級計算機(jī)）

想要從無到有地研制一臺百億億級的超級計算機(jī)，研究者們必須解決三個主要問題：一、極大的電力消耗（數(shù)十億瓦特）與極高的冷卻要求；二、計算機(jī)的構(gòu)造與連接線必須設(shè)計精巧，以保證成百上千的處理器與內(nèi)存芯片能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)；三、設(shè)計制造一組能夠真正能夠在每秒百億億次運(yùn)算的狀態(tài)下仍可正常運(yùn)行的操作系統(tǒng)與客戶端軟件。

要是較起真來，不解決上述三個問題也是可以架構(gòu)一個「所謂的」百億億級超級計算機(jī)的——只要把無數(shù)個 CPU 連接在一起，直到運(yùn)算速率足夠就行了——但其實，這樣「搭建」起來的「超級計算機(jī)」是無法做到每秒進(jìn)行百億億次運(yùn)算的。即使可以，它每次的運(yùn)行成本也都會達(dá)到令人咋舌的天文數(shù)字，對其實際應(yīng)用造成了巨大限制。

（「神威·太湖之光」超級計算機(jī)）

據(jù)外媒 Ars Technica 稱，中國現(xiàn)在就是在以這種「累加堆砌」的方式制造超級計算機(jī)：先在 2017 年把所需的硬件安在一起，然后用接下來的幾年試圖使這些硬件運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

Ars Technica 同樣稱，美國國家能源局選擇了一種更為「沉著穩(wěn)健」的方式來研制超級計算機(jī)，那就是為惠普企業(yè)撥款來研發(fā)百億億級超級計算機(jī)的參考設(shè)計方案。撥款的資金來自于美國國家能源局一項名為「PathForward（前途）」的項目，該項目是 ECP 項目（Exascale Computing Project，百億億級計算項目）的子項目之一。

ECP 項目由當(dāng)時的奧巴馬政府組織建立，已對美國的各項針對百億億級計算機(jī)的研究項目給予了數(shù)千萬美元的資金支持?；萜掌髽I(yè)所收到的資金援助也由此可見一斑。

超算是如何架構(gòu)的？它又能做什么？

因此，惠普企業(yè)的計劃是什么？它有希望在美國國家能源局的三輪資金援助申請中過關(guān)斬將，并且在中國之前將百億億級超級計算機(jī)研制出來嗎？

惠普企業(yè)稱他們將基于一個稱為「記憶驅(qū)動計算（Memory-Driven Computing）」的架構(gòu)來研制這款百億億級超級計算機(jī)?！赣洃涷?qū)動計算」架構(gòu)就是從 The Machine 中導(dǎo)出的。

簡單說來，惠普企業(yè)已有一整套成型的技術(shù)使得不計其數(shù)的可尋址存儲器（其總存儲量可達(dá) 4096 堯字節(jié)，1 堯等于 2 的 80 次方，4096 堯大約是全宇宙原子的數(shù)量）可被一個高速、低能耗的光互聯(lián)器件連接起來。而該光互聯(lián)器件是由一個全新的硅光子芯片驅(qū)動的。

（惠普企業(yè)的 X1 硅光子互聯(lián)器件）

現(xiàn)在，由此構(gòu)建的整個存儲器還極不穩(wěn)定，但假以時日——一旦惠普企業(yè)將其憶阻器技術(shù)投放市場，或者引入英特爾的 3D XPoint 內(nèi)存技術(shù)——該存儲器將會穩(wěn)定下來。

更重要的是，惠普企業(yè)宣稱他們已經(jīng)研發(fā)出可以真正使用如此大量存儲空間的軟件工具。該工具可以從龐大的數(shù)據(jù)集（比如：Facebook 上所有人發(fā)的所有內(nèi)容；全世界網(wǎng)絡(luò)上的全部內(nèi)容；地球上所有人的健康數(shù)據(jù)，等等）中推引出隱含信息和科學(xué)價值。

惠普企業(yè) CTO Mark Potter 毫不質(zhì)疑地表示其公司的科技將成為拯救人類的曙光。他說道：「我們堅信記憶驅(qū)動計算是推動科技產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的重要舉措。我們將由此迎來惠及全社會的進(jìn)步。我們此次揭露的存儲架構(gòu)可以應(yīng)用到所有類型的計算中——從尖端智能設(shè)備到超級計算機(jī)，不一而足?！?/p>

中美交鋒，奪魁者誰？

實際上，我們還是離 Potter 的理想有一定距離的，但是惠普企業(yè)的技術(shù)確實是實現(xiàn)研制百億億級超級計算機(jī)的重要一步。

如果你是評委，需要為惠普企業(yè)所做的努力點(diǎn)評一二，倘若以本文之前提到的三大問題的解決程度為評判標(biāo)準(zhǔn)，估計「差強(qiáng)人意」或許是你會使用的字眼：他們在軟件使用、能源消耗、和規(guī)模升級上都取得了一定的突破。但前路漫漫，研制超級計算機(jī)所需要解決的問題很多，尤其是像提高運(yùn)算速率這樣的難題，更是復(fù)雜棘手。

美國已全面禁止英特爾、Nvidia、和 AMD 的超級計算機(jī)芯片向中國出口，在此之后，中國國家芯片設(shè)計中心研發(fā)出專為超級計算機(jī)設(shè)計的 256 核 RISC（精簡指令集計算機(jī)）芯片?；萜掌髽I(yè)目前能提供的就是可用于不同芯片交流的 Gen-Z 協(xié)議，他們同樣承諾會研制出邏輯芯片，使超級計算機(jī)的實現(xiàn)更進(jìn)一步。

（The Machine 原型機(jī)，有著核輻射般詭異的綠光）

盡管如此，目前美國超級計算機(jī)的研制仍是在最初的籌資階段，惠普企業(yè)對百億億級超級計算機(jī)技術(shù)的研發(fā)目前也只是紙上談兵。只有當(dāng)超級計算機(jī)項目進(jìn)入到第二和第三階段，惠普企業(yè)才會真正開始設(shè)計并研制超級計算機(jī)。

如果所有程序都按部就班地進(jìn)行，英特爾最新的 72 核/288 線程 Xeon Phi 芯片可能會使美國領(lǐng)先一步于中國完成百億億級超級計算機(jī)的研造。但是由于其單個芯片的建議零售價為 6400 美元，而研造一部百億億級的超級計算機(jī)大約需要 30 萬個這樣的芯片，這不菲的價格或許也是美國需要考量的因素。

美國國家能源局的大多數(shù)超級計算機(jī)項目撥款針對的都是可應(yīng)用于其上的軟件程序。這次，美國國家能源局還將為加入到「PathForward」項目中的包括 AMD，Cray（「泰坦」超算制造商），IBM，英特爾，以及 Nvidia 等知名公司提供研發(fā)資金支援。美國國家能源局預(yù)計在三年內(nèi)為 PathForward 共撥出 2 億 5 千 8 百萬美元。因為此次研究將對受資企業(yè)的發(fā)展大有裨益，受該項撥款資助的企業(yè)在這三年期間也需自付共計至少 1 億 7 千 2 百萬美元的研究經(jīng)費(fèi)。

雖然美國卷土重來之勢已顯，中國方面并不會束手就擒。我國已將百億億次超級計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的研究寫入國家「十三五」規(guī)劃，并采用「三頭并進(jìn)」的方式，由中科曙光、國防科技大學(xué)及江南計算技術(shù)研究所來牽頭研制百億億級超算的原型系統(tǒng)?！甘飞系谝慌_百億億級超算」究竟花落誰家，且讓我們拭目以待。