超级计算机发展 小记

超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，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，它对国家安全，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。目前超级计算机排名第一的是美国能源部下属橡树岭国家实验室发布的summit，其浮点运算速度峰值达每秒20亿亿次(200PFlops)，紧接着是中国的“神威·太湖之光”，由我国并行计算机工程技术研究中心研制的，处理器全部采用国产处理器，其次就是美国的“Sierra”、中国“天河二号”和日本“A工BridgingCloudIn-frastructure”了。

 

什么是超级计算机？

超级计算机是能计算普通PC机和服务器不能完成的大型、复杂课题且高速运算的计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一万亿次以上。

 

国内超级计算机的发展历程

         中国超级计算机的发展历程尽管比美欧日等发达国家短，但在21世纪以来可以说是后来居上，树立了一个又一个的里程碑。在2004年，曙光4000A位列世界十大超级计算机，中国高性能计算首次进入世界前十；2010年，国防科技大学研制的天河一号以每秒4.7千万亿次的峰值计算速度登上超级计算机领域的世界榜首；2011年神威蓝光第一次全部采用国产CPU和国产冷水技术研制出千万亿次超级计算机；2013年天河二号以峰值计算速度每秒5.49亿亿次获得世界第一；2016年“神威·太湖之光”又以比第二名“天河二号”出近两倍的速度、提高3倍的效率登顶超级计算机榜单之首，同年11月，我国科研人员依托“神威·太湖之光”超级计算机的应用成果首次荣获“戈登·贝尔”奖，实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。中国研发的超级计算机，在世界的舞台上一次又一次的惊艳亮相。

         在上个世纪80年代，美国等西方国家就对中国实施禁运超级计算机和技术封锁，但近年来国内自主研发不断创新，实现了超算的国产化，其中“天河”系列的国产化程度是70%左右，济南超算中心的“神威蓝光”超级计算机能达到85%以上，而“神威·太湖之光”的处理器则全是国产的。虽然在今年，美国的summit超级计算机以性能超过此前世界最强的中国超算“神威·太湖之光”（浮点运算峰值每秒12.5亿亿次）约60%，位列超算之首，但是它引领的是十亿亿次级别的争夺，而现在百亿亿次的“E级超算”被公认为“超算界的下一顶皇冠”，目前，中、美、欧、日都在向这个目标全力冲刺，中国在进度上暂时处于领先位置。今年5月，我国在国家超算天津中心发布我国新一代百亿亿次（1000PFlops）超级计算机“天河三号”原型机，它采用全自主创新，自主飞腾CPU，自主天河高速互联通信，自主麒麟操作系统，目前其综合运算能力与“天河一号”相当。该原型机将于今年6月部署，年底正式投入使用。完整版的“天河三号”将在2020年交付，在进度上比对手暂时领先。

目前，全球有多个国家正竞相研发E级超算。中国计划于2020年推出首台E级超算；美国能源部启动了“百亿亿次计算项目（Exascale Computing Project）”，希望于2021年至少交付一台E级超算，初步规划峰值运算能力超过每秒130亿亿次，内存超过8PB，系统功耗约为40MW。此外，欧盟预计于2022年至2023年交付首台E级超算，使用的是美国、欧盟处理器，日本发展E级超算的“旗舰2020计划”由日本理化所主导，完成时间也设定在2020年。

 

超级计算机的前景

超级计算机是一个庞大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务，如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物理的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，都需要依靠超级计算机才能较顺利地完成。

值得注意的，美国研发的超算大多是自用的，这样的超算用途较为简单，基本只能适配于某一方向，但专业性比较更强。而国内超级计算机则更为开放，可以匹配不同使用者的需求。超算的使用方向定位不同，建设方式也就不同。国外超级计算机建设方一般是先有计算量需求，根据所需计算量设计系统，根据需求设计超级计算机的架构方式。中国是先进行建设，尽力提高建设能力，尝试满足更高的计算需求。然而，很多文章指出，超级计算机在国内的发展速度已经远超过于相应人才的培养速度，我国利用超算系统解决问题的能力不足，且相关商业应用软件仍为国外垄断等等方面，使得我国在超算的软件开发与应用同欧美等发达国家仍然存在着不小的差距。我看到一篇文章中提及：石油勘探是用车拉着硬盘去超算中心用国外的商业软件跑分析的，基因测序是一趟趟地快递硬盘去实验，而在美国，亚马逊的云计算为客户提供了Direct Connect服务，可以搭建起客户到数据中心的专线连接，用于数据传输。软件专业人才不足，应用缺位，这都限制了超算在如生命科学、医疗等诸多大数据领域的应用。

         尽管我们在高性能计算和软件研究领域同世界先进水平仍然有不小的差距，但是“戈登 贝尔”奖的摘取也说明我们正迎头追赶。在2016年11月美国盐湖城SC16大会上，基于“神威·太湖之光”系统的三项全机应用“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”、“高分辨率海浪数值模拟”、“钛合金微结构演化相场模拟”入围“戈登•贝尔”奖提名。其中“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”拿下了“戈登•贝尔”奖，实现了在超算应用此项大奖上零的突破，成为我国超算应用发展的一个新的里程碑。