Ramin Skibba

Senior Technology Writer

截至2020年6月，TOP500組織發(fā)布了最新的半年度全球超級計算機TOP500榜單，其中日本超級計算機“富岳”（Fugaku）摘得桂冠，成為目前世界上最強的超級計算機系統(tǒng)[1,2]?！案辉馈钡母↑c運算速度峰值高達每秒41.55億億次，比之前位居榜首的美國田納西州橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的“頂點”（Summit）超級計算機（每秒20億億次）快了一倍多。超級計算機的發(fā)展日新月異。超級計算機榜首的位置不斷更新。2018年6月，中國研制的“神威·太湖之光”超級計算機（每秒93千萬億次）被“頂點”取代[2]。

TOP500排名不僅僅是運算速度的角逐。隨著學術(shù)研究不斷進步和商業(yè)需求不斷擴大，超級計算機朝著復雜化、大容量方向發(fā)展。

美國加利福尼亞大學圣地亞哥超級計算機中心的物理學教授兼開放科學網(wǎng)格（Open Science Grid，美國國家分布式計算合作伙伴關(guān)系，為美國的數(shù)據(jù)密集型研究提供高吞吐量計算）項目的執(zhí)行董事Frank Würthwein表示：“這實際上是讓原本不可能實現(xiàn)的計算成為可能?！?/p>

這些頂級超級計算機在許多研究應用中表現(xiàn)出超乎尋常的能力。超級計算機可以進行天體物理學模擬和宇宙學模擬，以更高的分辨率模擬大片宇宙區(qū)域，更準確地預測天氣和氣候變化。超級計算機不需進行核試驗，即可模擬核電站和核武器爆炸。此外超級計算機也可用于測序和分析人類基因組。超級計算機還可用于航空航天、醫(yī)療和制藥行業(yè)的商業(yè)研究。“富岳”應用于前沿科學研究，其計算速度超快，可以模擬嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）在飛沫中的傳播[3]。

超級計算機具有極高的使用價值。人類對超級計算機的時間需求遠遠超過其可用性。美國能源部橡樹嶺國家實驗室超級計算設(shè)施（US Department of Energy’s OakRidge Leadership Computing Facility）項目負責人Justin Whitt表示，超級計算機幾乎一直在運行，超級計算機的使用時間通常超過其可容納量的4～5倍。更多的超級計算機和更強大的超級計算機意味著更大的科技進步潛力。幾乎所有科學家都會說超級計算機很強大，但是如果有了更大的力量，我們就可以解決這些新問題，為模擬增加新的物理學特性和保真度，為科學開辟新道路。

“富岳”由日本富士通公司和理研計算科學中心（日本神戶）聯(lián)合開發(fā)，由700多萬個核心組成，搭配2.2 GHz中央處理器（使用1024 GB·s-1）和三維堆棧存儲器來加載數(shù)據(jù)（圖1）[4]。它是TOP500名單中第一臺由高級精簡指令集計算機處理器（ARM）提供支持的超級計算機。ARM處理器有功率高、成本低等特點，與手機和其他電子設(shè)備的處理器類似，晶體管數(shù)量少，冷卻需求少。此外，與大多數(shù)超級計算機使用的圖形處理單元不同，“富岳”采用了流線型處理架構(gòu)，即向量計算。

“富岳”采用了創(chuàng)新設(shè)計，建造成本約10億美元，是“頂點”超級計算機（2億美元）的5倍，與即將推出的百億億次超級計算機的預期成本相當[5]。它的峰值功耗為30 MW，大約是“頂點”的2倍，占地面積為1950 m2，比“頂點”多出一個網(wǎng)球場的面積。美國田納西大學諾克斯維爾分校的創(chuàng)新計算實驗室主任、TOP500榜單的合著者、TOP500榜單[6]的線性系統(tǒng)程序包（LINPACK）基準測試的發(fā)起者Jack Dongarra說：“這些計算機體積非常大，相當于兩個或者更多個網(wǎng)球場?！彼€表示超級計算機（包括其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)）的體積一直都很大，但是科技變化日新月異，小型化以及硬件和軟件的優(yōu)化能夠讓不斷密集的系統(tǒng)產(chǎn)生更多的動力。從今天的標準來看，幾十年前的早期超級計算機既笨拙又緩慢。他還說到：“我的筆記本電腦比1993年最快的計算機還快?！?/p>

圖1.一個機柜包括近15.9萬個節(jié)點，這些節(jié)點連接在一起為“富岳”超級計算機供電。整臺機器占地面積為1950 m2，相當于3個網(wǎng)球場的面積。資料來源：Raysonho (CC BY-SA 4.0)。

雖然2019年新冠病毒疫情延緩了超級計算機的發(fā)展進程，但“富岳”不會在榜首位置待太久，預計2021年許多百億億次超級計算機將研制完成。這些百億億次超級計算機的速度要比當前大多數(shù)千萬億次超級計算機快一個數(shù)量級，可實現(xiàn)每秒百億億次浮點運算。美國田納西州橡樹嶺國家實驗室打造的“前沿”（Frontier）超級計算機的占地面積相當于10個網(wǎng)球場。美國伊利諾伊州阿貢國家實驗室研制的“極光”（Aurora）超級計算機和加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研制的“El Capitan”超級計算機都有望在2021年突破百億億次級計算速度[5,7]。Dongarra表示，中國的“天河3號”超級計算機預計在2020年年末達到百億億次級速度，但現(xiàn)在推遲到了2021年。中國入圍TOP500的超級計算機數(shù)量為226臺，美國113臺，日本29臺。全球其他超級計算機大國還包括法國（19臺）、德國（16臺）、荷蘭（15 臺）、愛爾蘭共和國（14臺）、加拿大（13臺）、英國（10 臺）和意大利（7臺）[1]。