美國重奪超算霸主，GPU提供56%的總算力

在近日舉行的ISC會議上，最新Top500榜單公布了。這次，榜單頂部的排名變化較大，美國Summit超級計算機摘得桂冠，中國的神威·太湖之光排名第二。這是自2012年11月以來，美國第一次宣布全球最強大超級計算機，重奪超算霸主地位。但在進入榜單的系統(tǒng)數(shù)量方面，中國仍然遠超美國。

TOP500是針對全球已知最強大的計算機系統(tǒng)做出排名與詳細介紹的項目。此項目始于1993年，今年已經(jīng)是第25年。TOP500每年公布兩次最新的超級計算機排名，一次是在6月份的國際超級計算機大會（ISC），第二次則是在11月份的全球超級計算大會（SC）。

近日舉行的ISC會議上，最新一期Top500榜單公布了。這次，榜單頂部的排名變化較大，美國Summit超級計算機摘得桂冠，兩個新系統(tǒng)進入前5。這是自2012年11月以來，美國第一次宣布全球最強大超級計算機，重奪超算霸主地位。

Summit超級計算機。來源：橡樹嶺國家實驗室

由IBM總包設計建設，目前在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）運行的Summit超級計算機，在作為TOP500榜單基準的高性能Linpack（HPL）基準測試中以122.3 petaflops（每秒12.23億億次）的性能問鼎榜首。Summit超算有4356個節(jié)點，每個節(jié)點配備2顆22核的Power9 CPU和6顆NVIDIA Tesla V100 GPU。節(jié)點與Mellanox雙軌EDR InfiniBand網(wǎng)絡連接在一起。

Summit的Linpack測試的理論峰值性能是187.7 petaflops。在Linpack測試中，Summit超算提供122.3 petaflops的性能，計算效率達到65.2％ ——這對新機器來說并不差，而且顯然會隨著時間的推移而改善。

排名第二的是中國的神威·太湖之光，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心（NRCPC）開發(fā)，安裝在國家超級計算無錫中心。該系統(tǒng)在過去兩年里一直名列榜首，自2016年6月上線以來，它的HPL成績一直保持不變，為93 petaflops。神威·太湖之光在Linpack性能測試中的計算效率達到74.2％，達到93 petaflops的性能的功耗為15.37百萬瓦（megawatts），而Summit系統(tǒng)達到122.3 petaflops性能的功耗僅8.81百萬瓦。

美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的新系統(tǒng)Sierra排名第三，它的HPL性能是71.6 petaflops。同樣由IBM打造的Sierra超算的架構(gòu)與Summit非常相似，有4320個節(jié)點，每個節(jié)點均由兩顆Power9 CPU和四顆NVIDIA Tesla V100 GPU驅(qū)動，并使用相同的Mellanox EDR InfiniBand作為系統(tǒng)互連。

天河二號盡管經(jīng)過了一次重大升級，用定制的Matrix-2000協(xié)處理器取代了5年前的Xeon Phi加速器，但它還是下降了兩名，由6個月前的第二名變成第四名。天河二號的新硬件將其HPL性能從33.9 petaflops提高到61.4 petaflops，同時將功耗略微提高了約4％。天河二號由中國國防科技大學（NUDT）開發(fā)，部署在國家超級計算廣州中心。

AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI)是排名第五的系統(tǒng)，由日本富士通公司制造，它的HPL性能達到19.9 petaflops。ABCI由20核的Xeon Gold處理器和NVIDIA Tesla V100 GPU驅(qū)動，安裝在日本國家先進工業(yè)科學技術(shù)研究所(AIST)。

瑞士的Piz Daint (19.6 petaflops)、美國的Titan (17.6 petaflops)、美國的Sequoia (17.2 petaflops)、美國的Trinity (14.1 petaflops)，和美國的 Cori (14.0 petaflops) 分別排第6位至第10位。

TOP500的前10名

TOP500榜單中國超算數(shù)量超過美國

接下來我們看看TOP500的一些關(guān)鍵概況。

盡管美國在榜單上的排名靠前，但目前美國在榜單上的系統(tǒng)只有124套，創(chuàng)歷史新低。就在6個月前，美國在榜單上的系統(tǒng)還有145套。與此同時，中國進入榜單的系統(tǒng)達到206套，占比41%，6個月前是202套。接著是日本，有36套系統(tǒng)，英國22套，德國21套，法國18套。這些數(shù)字與上次的榜單基本相同。

國家超算數(shù)量年度變化

不過，主要歸功于Summit和Sierra，美國在性能方面從中國手中奪回了領先地位。目前，美國的系統(tǒng)占TOP500系統(tǒng)性能總和的38.2%，中國排在第二位，占29.1%。

今年是第一次TOP500榜單的所有500套系統(tǒng)的總性能超過百億億次級別（exaflop），確切地說，已經(jīng)達到1.22 exaflops。這比去年11月時的 845 petaflops 要高。其中，有273套系統(tǒng)的HPL性能超過1 petaflops，而上次的榜單超過只有181套系統(tǒng)性能超過1 petaflops。

CPU架構(gòu)Intel Xeon占主導地位，56%的計算來自GPU

就處理器架構(gòu)而言，Intel Xeon在CPU架構(gòu)方面占據(jù)主導地位。

未來幾年，IBM和AMD可能會分別憑借Power和Epyc處理器迎來復興，而Arm服務器芯片也將從中分得一杯羹。但即便如此，Intel Xeon仍將繼續(xù)在CPU方面占據(jù)主導地位。

在加速器方面，TOP500系統(tǒng)中有110個使用加速器，相比2017年11月時的101個加速系統(tǒng)略有增加。TOP500超算的總體性能有一半來自某種形式的加速系統(tǒng)。這些使用加速器的系統(tǒng)中有96個使用NVIDIA GPU，其中前10名就有5個：Summit，Sierra，ABCI，Piz Daint和Titan。此外，使用加速器的系統(tǒng)中有7個配備了Xeon Phi協(xié)處理器，而PEZY加速器被用在4個系統(tǒng)中。另外20個系統(tǒng)使用Xeon Phi作為主處理器。

TOP500的幾乎所有超級計算機（97.8％）都由擁有8個或更多內(nèi)核的主處理器驅(qū)動，超過一半（53.2％）的主處理器有超過16個內(nèi)核。

10G或更快的以太網(wǎng)在247個系統(tǒng)中被使用，比6個月前榜單的228個多。此外，139個系統(tǒng)使用InfiniBand，比上次榜單的163個少。有38個系統(tǒng)使用英特爾的Omni-Path技術(shù)，上次的榜單是35個。

TOP500榜單中，56%的計算來自GPU。越來越多的廠商開始談論“人工智能超級計算機”（AI supercomputers），因為可以加速傳統(tǒng)HPC工作負載的CPU-GPU混合架構(gòu)也可以用于機器學習訓練。

自1993年以來，TOP500的總性能、排名第一以及排名500的超算性能變化如下圖所示：

另一個變化是，榜單中學術(shù)、機密和研究類型的超算有所減少，而用于工業(yè)的超算比例增加了：

以下是按系統(tǒng)份額的廠商排名，聯(lián)系有122套系統(tǒng)上榜，占23.8%，其次是HPE,15.8%(79套系統(tǒng))，浪潮，13.6%(68套系統(tǒng))，Cray, 11.2%(56套系統(tǒng))，曙光, 11%(55套系統(tǒng))。

盡管IBM擁有前三名超級計算機中的兩款：Summit和Sierra，但它在整個榜單中只有19套系統(tǒng)。然而，由于這兩臺機器，IBM貢獻了TOP500總性能的19.9％。接著是Cray，性能份額為16.5％，聯(lián)想為12.0％，HPE為9.9％。

Green500榜單

最后，我們看一下Green500的榜單。Green500中排名前三的超算都來自日本，它們基于ZettaScaler-2.2架構(gòu)，使用PEZY-SC2加速器。而前10名中的其他系統(tǒng)都使用NVIDIA GPU。

最高能效的超級計算機仍然日本理研的Shoubu(菖蒲) system B，能效為18.4 gigaflops/watt，在TOP500榜單中排名第362位。

能效排名第二的是位於日本高能加速器研究組織/KEK的Suiren2系統(tǒng)，達到16.8 gigaflops/watt，在TOP500榜單中排名第388位。

Green500的第三名是美國的DGX SaturnV Volta系統(tǒng)，接著是Summit（美國），TSUBAME 3.0（日本），AIST AI Cloud（日本），AI Bridging Cloud Infrastructure（日本），new IBM MareNostrum P9 cluster（西班牙），DOE’s Summit system（美國），以及Wilkes-2（英國）。

作為不依賴任何加速器的最高能效的超級計算機，神威·太湖之光在Green500榜單上排第22位。