6月17日，最新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單出爐，中國(guó)超算上榜數(shù)量蟬聯(lián)第一。在中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，中國(guó)超算能否保持第一的王座，將命脈掌握在自己手中？

在德國(guó)法蘭克福舉行的國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)最新榜單上，中國(guó)境內(nèi)有219臺(tái)超算上榜，上榜數(shù)量位列第一，美國(guó)以116臺(tái)位列第二。這是2017年11月以來(lái)，中國(guó)超算上榜數(shù)量連續(xù)第四次位居第一。

在此次榜單上，聯(lián)想、浪潮和中科曙光分別以173臺(tái)、71臺(tái)和63臺(tái)的數(shù)量位居全球超算制造商前三位。

美國(guó)能源部下屬橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“頂點(diǎn)”Summit，以每秒14.86億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度再次登上冠軍寶座，超過(guò)了它在半年前榜單上的每秒14.35億億次的紀(jì)錄。

美國(guó)能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“山脊”Sierra 、中國(guó)超算“神威·太湖之光”和“天河二號(hào)”分列二三四位，最大浮點(diǎn)性能分別為每秒9.464億億次、9.301億億次、6.144億億次，與之前榜單Top4排名沒(méi)有變化。

如果把超算TOP 500榜單中的所有超級(jí)計(jì)算機(jī)按國(guó)別進(jìn)行歸類，來(lái)自中國(guó)的超算上榜比例高達(dá)41%，來(lái)自美國(guó)的超算上榜比例是25%，中美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)統(tǒng)治了全球超過(guò)65%的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

雖然個(gè)體被美國(guó)超越，但中國(guó)超算的規(guī)模仍為全球當(dāng)之無(wú)愧的第一。

那么問(wèn)題來(lái)了，除了規(guī)模第一，中國(guó)能否超越美國(guó)Summit，重奪全球超算性能第一的寶座？

如果美國(guó)再次對(duì)中國(guó)禁售芯片，中國(guó)超算還能保持如今的王者地位嗎？

今天我們就來(lái)聊聊，中國(guó)超算自主可控的那些事兒。

中國(guó)超算的“絕地反殺”

構(gòu)建一整套全球頂級(jí)的超算系統(tǒng)，并非是單純的堆砌處理器這么簡(jiǎn)單，首先要有足夠強(qiáng)悍的計(jì)算個(gè)體芯片、先進(jìn)的運(yùn)算管理技術(shù)、操作系統(tǒng)的支持，以及足夠的財(cái)力支持才能夠造得出。

當(dāng)然這一切的背后，最核心的因素是還要有國(guó)家層面的政策扶持，以及足夠的尖端科技人才儲(chǔ)備。所以說(shuō)，超算是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)一點(diǎn)也不為過(guò)。

我國(guó)的超算起步比較晚，但是進(jìn)步神速，這和我國(guó)高速發(fā)展需求和國(guó)家政策支持有著密不可分的關(guān)系。

中國(guó)的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)曾經(jīng)6次蟬聯(lián)世界超算TOP 500冠軍，確立了中國(guó)在全球超算中的絕對(duì)地位。

但是由于天河二號(hào)早期使用的是Intel Xeon的芯片方案，引來(lái)了一些質(zhì)疑和非議。

中國(guó)超算的快速崛起也使得美國(guó)政府在2015年頒布了引發(fā)轟動(dòng)的“限售”事件：美國(guó)政府嚴(yán)禁Intel等公司向中國(guó)四家超算中心出口高性能計(jì)算芯片。

最近中美貿(mào)易摩擦和中興事件讓中國(guó)“芯”提升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，其實(shí)在很多年以前美國(guó)就已經(jīng)對(duì)我國(guó)的高尖端芯片領(lǐng)域進(jìn)行“技術(shù)封鎖”。

2015年美國(guó)“限售”事件爆發(fā)，中國(guó)決定采用國(guó)產(chǎn)芯片替代。直至2017年9月份，廣州超算中心宣布年底前升級(jí)天河二號(hào)超算系統(tǒng)，使用國(guó)產(chǎn)加速器Matrix-2000取代原本的Intel Xeon Phi加速器。

根據(jù)網(wǎng)上資料，Matrix-2000加速器使用的是國(guó)產(chǎn)芯片Matrix-2000，由國(guó)防科大自主研發(fā)設(shè)計(jì)，但架構(gòu)、來(lái)源一如既往地神秘。

每個(gè)加速卡使用了4顆Matrix-2000芯片，每顆Matrix-2000由128個(gè)內(nèi)核組成，頻率1.2GHz，每周期能執(zhí)行16個(gè)雙精度運(yùn)算，處理器峰值性能為2.45TFLOPS。

通過(guò)國(guó)產(chǎn)芯片升級(jí)后，天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)取得了算力翻倍的驚人成績(jī)，互聯(lián)與I/O方面性能指標(biāo)也獲得了較大幅度的技術(shù)進(jìn)步。網(wǎng)絡(luò)帶寬從原來(lái)的10Gbps升級(jí)到了14Gbps，延遲從1.57us降至1us，內(nèi)存容量從1.4PB升級(jí)到了3.4PB，存儲(chǔ)容量從12.4PB升級(jí)到了19PB，帶寬翻倍到1TB/s，而功耗則從17.8MW降至16.9MW，能效大幅提升。

在美國(guó)“禁售”、中國(guó)超算白手起家的大背景下，中國(guó)超算憑借自主研發(fā)的Matrix-2000實(shí)現(xiàn)“絕地反殺”。中國(guó)目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)——神威·太湖之光也是在這樣的背景下誕生的。

神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)安裝了40960個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器。該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。

2016年，國(guó)際TOP500組織發(fā)布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)登頂榜單之首，不僅速度比第二名“天河二號(hào)”快出近兩倍，其效率也提高3倍。

申威26010眾核處理器的出現(xiàn)，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)Intel Xeon Phi加速卡的替代。雖然在單片的性能上仍舊跟Intel Xeon存在性能上的差距，但是得益于體積和功耗上面的優(yōu)勢(shì)，可使得一個(gè)小小的機(jī)箱就可放置256個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，同體積計(jì)算性能反殺Intel Xeon Phi。

相比其他國(guó)產(chǎn)芯片，申威則要顯得更加低調(diào)和神秘一些，因?yàn)樯晖幚砥髯哉Q生之初就背負(fù)著軍工國(guó)防和國(guó)家信息安全的使命，其研發(fā)單位總參謀部第五十六研究所（無(wú)錫江南計(jì)算技術(shù)研究所），于2003年開(kāi)始著手設(shè)計(jì)中國(guó)人自己的高性能芯片。在國(guó)家"核高基"重大專項(xiàng)支持下，申威處理采用自主指令集開(kāi)發(fā)，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

據(jù)最新的消息顯示，我國(guó)“天河三號(hào)”目前正在積極的研發(fā)大眾，并有望在2020年重新奪回第一寶座，并實(shí)現(xiàn)對(duì)“神威·太湖之光”高達(dá)八倍的性能超越。

更加值得期待的是，“天河三號(hào)”有望采用全自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自主飛騰CPU、自主天河高速互聯(lián)通信，以及自主麒麟操作系統(tǒng)。

為什么中國(guó)超算領(lǐng)先全球？

大家可能會(huì)好奇，國(guó)產(chǎn)芯片的制造工藝不如美國(guó)，但為什么芯片完全國(guó)產(chǎn)的超算“神威太湖之光”，性能卻能力壓美國(guó)超算？

而之前“天河二號(hào)”使用的是美國(guó)Intel芯片，為什么也能力壓美國(guó)超算超過(guò)6年？

實(shí)際上，單個(gè)CPU強(qiáng)大并不能決定超算的性能，超算有數(shù)萬(wàn)個(gè)CPU同時(shí)工作，CPU之間的數(shù)據(jù)通信非常重要。

CPU只是超算芯片的一種最重要的基礎(chǔ)芯片，CPU還需要和另外兩種非常重要的芯片合作，這就是超算數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換芯片和超算加速及消息處理芯片。中國(guó)在超算數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)交換芯片的研發(fā)實(shí)力上，比美國(guó)強(qiáng)大一大截。

中國(guó)超算水平在全世界領(lǐng)先，這是無(wú)可爭(zhēng)議的，但是中國(guó)在個(gè)人電腦、手機(jī)、通信等商用芯片等領(lǐng)域，卻反過(guò)來(lái)被美國(guó)吊打，這是為什么呢？超算和普通商用芯片有什么區(qū)別？

這就要說(shuō)到計(jì)算的兩條發(fā)展道路，超算和商用計(jì)算是兩條基本不相交的道路。

超算是用很多臺(tái)機(jī)器并行運(yùn)算，不用考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把大量的CPU、 GPU芯片組在一起使用，但芯片和操作系統(tǒng)都需要專門(mén)定制。由于超算使用自主的操作系統(tǒng)，完全不用管商用領(lǐng)域的X86、 Windows兼不兼容。

而商用計(jì)算的發(fā)展道路是，不斷改進(jìn)芯片的制造工藝設(shè)計(jì)水平，盡量把單個(gè)芯片的性能做強(qiáng)大。目前，在個(gè)人電子和網(wǎng)絡(luò)通訊基站方面的高端芯片，中國(guó)還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到要求。

與此同時(shí)，商用領(lǐng)域有各種專利，電腦芯片、手機(jī)芯片、操作系統(tǒng)等都被美國(guó)企業(yè)壟斷，中國(guó)再想進(jìn)入商用領(lǐng)域就非常艱難了。

正是考慮到了美國(guó)政府的問(wèn)題，中國(guó)在超算剛開(kāi)始研究時(shí)，早在上個(gè)世紀(jì)就開(kāi)始布局尋找，如何在計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域打破美國(guó)的壟斷。

1999年，中國(guó)買來(lái)康柏Alpha處理器授權(quán)。Alpha是一個(gè)技術(shù)上很成功的芯片，但是在商用失敗了。單論性能功耗先進(jìn)程度來(lái)說(shuō)，Alpha比英特爾的X86架構(gòu)還要好。

之后中國(guó)就一直對(duì)其研究發(fā)展，在發(fā)展超算的時(shí)候兩條腿走路，一邊用國(guó)外AMD、 英特爾的技術(shù)發(fā)展超算，一邊用Alpha技術(shù)發(fā)展超算。

在美國(guó)對(duì)中國(guó)禁售芯片之后，中國(guó)直接把超算備用選項(xiàng)Alpha上馬，并在幾年之內(nèi)研究出了“神威·太湖之光”。

雖然中國(guó)費(fèi)勁波折發(fā)展出了自主可控的超算，但是我們必須清醒的意識(shí)到，在芯片領(lǐng)域所面臨的對(duì)手是如此強(qiáng)大，ARM, Intel, AMD, 高通，NVIDIA......任何一個(gè)美國(guó)芯片公司都具有足夠強(qiáng)大的實(shí)力。

同時(shí)需要特別注意的是，早在5年前，美國(guó)政府就已經(jīng)停止為超級(jí)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的贊助撥款，轉(zhuǎn)而開(kāi)始大力投資量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作。這也是此前美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)止步不前，最終被中國(guó)一舉超越的重要原因。

未來(lái)一二十年，美國(guó)超算依然是中國(guó)的最大對(duì)手，甚至可能每隔一兩年，冠軍寶座就會(huì)在中美之間不斷更換主人，畢竟超算是最強(qiáng)大的前沿科技研發(fā)的工具。

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