超級(jí)計(jì)算機(jī)Top 500名單的更新，美國(guó)重回算例榜首但明顯損失份額

就在剛才，美國(guó)超算確認(rèn)登頂世界第一。

北京時(shí)間 6 月 25 日下午 15:00 左右，在德國(guó)法蘭克福召開的全球超算大會(huì)（ISC2018）公布了“超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)”（TOP500）最新榜單，其中，美國(guó)超算“Summit”排名第一，中國(guó)超算“神威·太湖之光”位列第二，第三名則是來自美國(guó)的“Sierra”。

在上一屆的榜單中，中國(guó)超算“神威·太湖之光”和“天河 2 號(hào)”分別位列 TOP500 第一、第二，美國(guó)的超算“Titan”則名列第五，也是 20 年來美國(guó)首次跌出該榜單的前三名。而這一次，美國(guó)重回全球超算霸主地位。

圖丨最新全球超算 TOP 500 榜單前 10 名

圖丨上一屆全球超算 TOP 500 榜單前 10 名

美國(guó)憑借著進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)早，相關(guān)技術(shù)積累深厚，多年來一直壟斷著 Top 500 超算冠軍，不僅算力高超，就連超算的數(shù)量也占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，不過最近 10 年來中國(guó)超算技術(shù)奮起直追，入圍 Top 500 的超算越來越多，甚至最近 5 年 10 屆 Top 500 冠軍都是中國(guó)超算，入圍 Top 500 的超算數(shù)量也超過美國(guó)，直到美國(guó)前不久推出的 Summit 超算，才終于在算力反超中國(guó)的神威·太湖之光，成功奪回 Top 500 冠軍之位。

但除了中美以外，日本和其他國(guó)家也都積極推動(dòng)超算的發(fā)展，日本最近公布的新版 Kyu 超算架構(gòu)，基于 Arm 架構(gòu)，其理論性能遠(yuǎn)超太湖之光，甚至能輕松壓制美國(guó)的 Summit 超算，不過該架構(gòu)仍在測(cè)試階段，還未量產(chǎn)，最快也要 2018 下半年才有機(jī)會(huì)挑戰(zhàn) Top 500。

現(xiàn)在問題來了，各國(guó)在超算領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)到底有什么意義呢? 答案是超算非常實(shí)用，但對(duì)大國(guó)來說，擁有超算帶來的軟實(shí)力、象征意義也很重要。

就實(shí)用范圍而言，超算就是什么都能算，不只能夜觀天象，揭開宇宙的奧秘，還能把天有不測(cè)的風(fēng)云抓出規(guī)律，告訴我們明天出門要不要帶傘；而在基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)方面，比如說材料的合成、礦產(chǎn)的探勘，超算扮演著極為重要的地位，美國(guó)從石油輸入國(guó)轉(zhuǎn)而成為產(chǎn)出國(guó)部分也是超算之助；超算甚至能代替神算出生命的奧秘，解析那些藏在我們身體里面的最神秘的法則，或者是組合出全新的生命型態(tài)；超算幫助我們研發(fā)新藥，代替神農(nóng)嘗百草；流行的社群網(wǎng)絡(luò)分析，從大的社會(huì)風(fēng)向，到小的個(gè)人人格特征定位也是超算在行的工作；面對(duì)金融體系的科技化，網(wǎng)絡(luò)化，以及區(qū)塊鏈化，這些都需要龐大的算力在背后推動(dòng)；另外，軍事與武器研發(fā)更需要超算之助。

而就象征意義而言，因?yàn)樗懔?duì)于人類社會(huì)的影響越來越深，擁有足夠的算力，不只代表對(duì)整體社會(huì)的發(fā)展脈絡(luò)更能有效控制，讓國(guó)家能夠更有效率的管理與發(fā)展，讓人民更幸福，同時(shí)，算力也代表了國(guó)家所能投入的資源及技術(shù)力，某種程度上也等同于國(guó)力的展現(xiàn)，而這也是各國(guó)每年都拼盡全力一較算力高低的原因之一。

Top 500名單的更新，美國(guó)重回算例榜首，但明顯損失份額

而每年固定時(shí)間都會(huì)公布排名的全球超算 Top 500 名單也已經(jīng)公布，從名單中可以看出，美國(guó)的 Summit 架構(gòu)已經(jīng)確定成為今年上半年 Top 500 超算的榜首，但與此同時(shí)，中國(guó)超算的份額又再度增加，較去年底的比重增加了 0.8%，達(dá)到 41.2%，美國(guó)則是再度衰退，僅剩 24.8%。

圖｜雖然美國(guó)奪回超算榜首，但中國(guó)超算占 Top 500 比重達(dá)歷史新高

除了榜首的 Summit 超算以外，第三名的 Sierra 超算使用的是與 Summit 類似的 Power 架構(gòu)+NVIDIA GPU，相較第二名的太湖之光，僅用了不到 1 成的核心就能輸出其 8 成的計(jì)算性能，明顯是走高能效路線。另外，日本超算幾乎清一色使用英特爾的平臺(tái)搭配 GPU 或 Xeon Phi 輔助加速器，自有架構(gòu)可能要等待年底才會(huì)現(xiàn)身。

能耗是另一個(gè)值得關(guān)注的重點(diǎn)，Green 500 名單亦有重要意義

日本仍毫不意外的占據(jù)了 Green 500 前 10 大的絕對(duì)多數(shù)，排名第一的 Shoubu System B 的能效表現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到每瓦 18.4G Flops，創(chuàng)下了歷史新高。

另外，由于 Summit 超算使用基于 14nm 工藝的 Power 架構(gòu)加上基于 12nm 的NVIDIA GPU，在每瓦能效表現(xiàn)方面要明顯比使用 28nm 工藝芯片的太湖之光更有優(yōu)勢(shì)，才用類似架構(gòu)的第 3 名超算架構(gòu)也有類似的能效表現(xiàn)。

CPU 仍是超算主角，GPU滲透率雖持續(xù)增加但挑戰(zhàn)仍大

過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，超算主要架構(gòu)是以 RISC 芯片為主，而后轉(zhuǎn)往 X86，但隨著深度學(xué)習(xí)等 AI 計(jì)算的需求增加，GPU 在超算架構(gòu)中所占的份量越來越吃重，去年底公布的 Top 500 超算中就有將近 90 款超算平臺(tái)使用 GPU 來進(jìn)行加速，這些超算架構(gòu)也都屬于性能領(lǐng)先群。

雖然 GPU 或其他計(jì)算加速架構(gòu)的引入越來越多，但是純 CPU 的超算架構(gòu)仍占將近 8 成，而各國(guó)在 CPU 架構(gòu)的推陳出新，也證明了這個(gè)傳統(tǒng)架構(gòu)在超算領(lǐng)域仍然還有很大的發(fā)揮空間，不僅效能不輸給 GPU 加速，甚至能耗表現(xiàn)也能有一流的表現(xiàn)。

圖｜在 Top 500 排名中已經(jīng)有超過98款超算采用 NVIDIA 的 GPU 架構(gòu)，較 2017 年底的 87 款增加了 11 款。

雖然 GPU 已經(jīng)在很多計(jì)算領(lǐng)域證明了自己的價(jià)值，但是在超算平臺(tái)上，CPU 仍是絕對(duì)主流的架構(gòu)，占了將近 8 成。不只是英特爾的 X86 CPU，MIPS、Arm，甚至是 Power 架構(gòu)等傳統(tǒng) RISC 架構(gòu)，以及中國(guó)自有的申威核心，都證明面對(duì)超算環(huán)境，也能輸出不下于 GPU 的性能，當(dāng)然，應(yīng)用到超算中的 CPU 架構(gòu)已經(jīng)不是純粹的 CPU，更多包含了許多輔助的數(shù)學(xué)計(jì)算核心，甚至英特爾才剛推出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器就整合了 FPGA 架構(gòu)，這些架構(gòu)也都證明了自己的效能和效率都不下于 GPU，雖然 NVIDIA 的 GPU 架構(gòu)在服務(wù)器當(dāng)中擁有崇高的地位，但是在超算領(lǐng)域仍是挑戰(zhàn)者。

神威·太湖之光將退役架構(gòu)改造成一流超算架構(gòu)

中國(guó)的神威?太湖之光，采用了純 CPU 計(jì)算架構(gòu)的組合，不使用英特爾的處理芯片，也不使用目前火熱的 GPU 計(jì)算架構(gòu)，但其達(dá)到的算力卻超越除了 Summit 超算以外的其他架構(gòu)的組合，不過在能耗方面略顯弱勢(shì)。

太湖之光所使用的申威 26010 在單一芯片中整合了超過 260 個(gè)核心，在整個(gè)超算系統(tǒng)中使用了 40960 顆芯片，核心數(shù)量高達(dá) 10649600 個(gè)，單純就數(shù)量而言，比上次排名第 4 的日本曉光 (Gyoukou) 超算少，但持續(xù)輸出性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同為中國(guó)產(chǎn)的超算平臺(tái)第 2 名天河二將近 3 倍之多，更是日本曉光超算性能的 4 倍。

圖｜申威架構(gòu)雖非原創(chuàng)，但在研究人員的巧手下化身中國(guó)自有高效能超算核心

申威 26010 處理器架構(gòu)來源是出自于已經(jīng)退出市場(chǎng)的 DEC Alpha 微架構(gòu)，不過在經(jīng)過研發(fā)人員的徹底改造之后，轉(zhuǎn)而變成類似 IBM Power 微架構(gòu)的芯片，成為針對(duì)大規(guī)模平行計(jì)算環(huán)境優(yōu)化的高效率計(jì)算架構(gòu)，單芯片 260 個(gè)核心同時(shí)運(yùn)作的功耗只有 15.371 W。雖然其技術(shù)出處并非原創(chuàng)，但是在超算這種大規(guī)模計(jì)算環(huán)境中得以凸顯其優(yōu)勢(shì)，甚至超越了以英特爾與 NVIDIA 為主流組合的眾多超算架構(gòu)。

但是申威 26010 架構(gòu)因?yàn)檫^于特化，其單核心的效率非常低，甚至比英特爾的 Atom 和主流 Arm 架構(gòu)還要低，也不適合用在主流的一般消費(fèi)性計(jì)算上。其優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)大的互聯(lián)與協(xié)同工作能力，突破過去超算架構(gòu)在計(jì)算芯片數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，計(jì)算效能的增長(zhǎng)就會(huì)逐步降低的傳統(tǒng)天險(xiǎn)。

不過申威架構(gòu)在太湖之中也不是完全沒有后顧之憂。目前太湖之光使用的光纖互聯(lián)技術(shù)還是來自美國(guó)，而且是屬于上一代的技術(shù)，雖然能在中國(guó)超算中發(fā)揚(yáng)光大，但也代表這方面的技術(shù)還是受制于人。

MIPS 與 Arm 助力日本主打最高能效比的自有架構(gòu)

從 2017 年底的 Top 500 的排名當(dāng)中，我們可以看到日本的超算架構(gòu)雖然性能不是最優(yōu)，但是在能耗方面，前 10 大能耗比最高的超算平臺(tái)中，日本就占了 7 個(gè)，而今年 Top 500 性能排第 359 名的 Shoubu System B，在能耗排名中也高達(dá)第 1 名，相較之下，太湖之光雖然性能第 2，但能耗方面僅拿到第 23 名，換算每瓦雖然也算是很靠前的 6GFlops，但日本 Shoubu System B 則是達(dá)到每瓦 18.4GFlops 的驚人程度。

然而到 2018 上半年的排名，日本仍維持混用英特爾、NVIDIA 以及自有 PEZY 計(jì)算架構(gòu)的混合計(jì)算型態(tài)，雖然最佳排名是 AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) 的第 5 名，性能仍然離榜首有段距離，但多款超算的能效表現(xiàn)仍成功在 Green 500 排名中的前 10 名拿下 6 個(gè)席次。

與太湖之光不同的是，日本的超算架構(gòu)并沒有堅(jiān)持自有路線，由 PEZY Computing 所打造的芯片架構(gòu)主要還是作為輔助計(jì)算之用。最新的 SC2 整合了 2,048 個(gè)內(nèi)核以及每個(gè)內(nèi)核 8 路 SMT 支持，總共 16,384 個(gè)線程，是其前身的兩倍。PEZY-SC2 是 2017 年底幫助日本多款超算打進(jìn)頂級(jí) Green500 超算能效排名的最大背后功臣，通過 PEZY-SC2 與英特爾與 NVIDIA 芯片的混搭使用，達(dá)到更高層次的能效表現(xiàn)。

圖｜以個(gè)別芯片為單位來比較，二代 PEZY 核心在互聯(lián)與功耗控制能力方面仍略勝太湖之光的申威架構(gòu)一籌

日本自有的 PEZY 核心包含了 6 個(gè) P-Class P6600 MIPS(MIPS64R6) 處理器，并擁有 128 個(gè)稱為 city 的輔助計(jì)算單元。相較之下，舊版 PEZY-SC 僅依靠 2 個(gè)輕量級(jí)的 ARM926 內(nèi)核，成為性能的最大瓶頸。SC2 擁有 40 MIB 共享最后緩存，不僅可以在所有處理核心區(qū)塊共享，還可以通過 MIPS 內(nèi)核共享。為了進(jìn)一步提高性能，MIPS 內(nèi)核和 PEZY 內(nèi)核現(xiàn)在共享相同的地址空間，從而減少數(shù)據(jù)傳輸開銷。值得注意的是，通過使用功能強(qiáng)大的 MIPS 內(nèi)核以及異構(gòu)計(jì)算核心，PEZY Computing 在與其他計(jì)算架構(gòu)搭配之后，在成本與能耗方面達(dá)到世界一流水平。

雖然初代 PEZY 核心因?yàn)?Arm 架構(gòu)的落后而表現(xiàn)不佳，但日本也沒有放棄 Arm 架構(gòu)超算潛力的挖掘。

由富士通所推出，曾幫助日本奪得 Top 500 超算第一名的 Kyo 核心，就從 SPARC 轉(zhuǎn)向Arm 架構(gòu)。前不久富士通宣佈推出自主研發(fā)的 ARMv8 SVE(可伸縮矢量擴(kuò)展) 的新款 Kyo 超算芯片，使用了512bit 浮點(diǎn)運(yùn)算單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用 48 核+2 輔助核，IO 及計(jì)算節(jié)點(diǎn)則是 48 核+4 輔助核結(jié)構(gòu)。而其效能評(píng)估是目前仍佔(zhàn)據(jù)超算 Top 500 第 10 名的 Kyo超算的 100 倍，而功耗只增加了 3 倍。

通過新版的 Kyo 的推出，富士通可望扭轉(zhuǎn)近年日本超算核心在性能落后中美的狀況，不僅理論性能超越中國(guó)太湖之光 10 倍以上，也能壓倒美國(guó) Summit 超算的算力表現(xiàn)。

圖｜由富士通研發(fā)的新一代 Kyo 超算平臺(tái)誓言要讓日本重回 Top 500 超算榜首

IDM Power 架構(gòu)協(xié)同 NVIDIA 的純美國(guó)芯重回 Top 500 榜首

帶領(lǐng)美國(guó)重回超算 Top 500 榜首的Summit 超算中，包括了 4,608 個(gè)服務(wù)主機(jī)，搭載了超過 9,000 個(gè) IBM 的 22 核心 Power9 處理器和超過 27,000 個(gè) NVIDIA Tesla V100 GPU。采用的 IBM Power 9 架構(gòu)，可以說是完全針對(duì) NVIDIA 的 GPU 架構(gòu)優(yōu)化而來，其采用的 NVLINK 2.0 規(guī)格可帶來高達(dá) 300GB/s 的頻寬表現(xiàn)，很大程度上解決了資料傳輸過程的瓶頸，且因?yàn)?NVLIN 支援了快取一致性設(shè)計(jì)，也同時(shí)能夠有效提升 GPU 的計(jì)算性能。

然而Power 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還不止于此，根據(jù)官方資料，IBM Power 9 的最大 I/O 頻寬是 Intel x86 處理器的 9.5 倍，可支援存儲(chǔ)器容量是 2.6 倍，高效能核心數(shù)量為 x86 的 2 倍，存儲(chǔ)器頻寬則是 x86 的 1.8 倍。更重要的是，通過 NVLINK 2.0，CPU 與 GPU 之間的互連頻寬達(dá)到 X86 服務(wù)器目前使用的 PCIe 3.0 的 9 倍，大大舒緩了 GPU 等待資料傳輸所造成的計(jì)算能力浪費(fèi)。

圖｜通過與 NVIDIA 的緊密合作，IBM 的 Power 架構(gòu)在超算領(lǐng)域成功重奪眾人目光

Power 9 也不是指標(biāo)對(duì)了 NVIDIA 的計(jì)算架構(gòu)作優(yōu)化，事實(shí)上，它針對(duì)的是所有平臺(tái)，Summit 中使用的 Power9 AC922 服務(wù)器采用的是 OpenCAPI 技術(shù)。OpnCAPI 是 IBM 與 AMD、Google、Mellanox、Micron、Xilinx 等行業(yè)巨頭聯(lián)合發(fā)布一種全新的“OpenCAPI”(開放式一致性加速器界面) 標(biāo)準(zhǔn)，由此推動(dòng)一致性高性能總線界面，滿足高性能異構(gòu)計(jì)算的需求。

不過基于 Power 架構(gòu)+NVIDIA 美國(guó)芯組合的 Summit 超算還只是剛開始，美國(guó)目前已經(jīng)決定要提高下一期先進(jìn)計(jì)算領(lǐng)域的預(yù)算達(dá) 39%，期望能通過資本投入的增加，繼續(xù)維持其在超算地位的領(lǐng)先。

潛力架構(gòu)：英特爾的 Nervana 平臺(tái)

雖然在此次 Top 500 名單中沒有太多表現(xiàn)，但英特爾的 Nervana 在計(jì)算上的潛力仍不容忽視。

目前英特爾在超算領(lǐng)域其實(shí)面對(duì)的挑戰(zhàn)越來越多，不只是 IBM 的 Power 架構(gòu)，中國(guó)的申威，甚至連行將就木的 MIPS 也都把英特爾的架構(gòu)，而過去總被認(rèn)為只能在移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域的 Arm，如今也成為 Kyo 的架構(gòu)核心，其能效表現(xiàn)更把目前的英特爾遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在腦后。

如果繼續(xù)維持現(xiàn)有的 CPU 計(jì)算架構(gòu)，那么英特爾早晚會(huì)被超算架構(gòu)所淘汰，而英特爾自然也不能夠坐以待斃。前幾年收購(gòu) Altera 與 Nervana 也將迎來開花結(jié)果。

英特爾其實(shí)鉆研專用加速計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史，其成果包含 Xeno Phi 系列，該架構(gòu)采用的是龐大數(shù)量的小核心所組合起來的單一芯片架構(gòu)，其實(shí)與申威、PEZY 的作法相當(dāng)類似，但是成本高，而能效也沒有特別出色，導(dǎo)致使用率一直無法有效提高，Xeon Phi 最新架構(gòu) Lake Crest 雖然性能較就款已有成長(zhǎng)，但相較起對(duì)手的成長(zhǎng)幅度，已經(jīng)有明顯落后的趨勢(shì)，因此英特爾今年改端出基于與 Altera FGPA 架構(gòu)作異質(zhì)整合，代號(hào)為 Spring Crest 的新一代 Nervana 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，根據(jù)英特爾給的數(shù)據(jù)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能已經(jīng)是 Lake Crest 架構(gòu) Xeon Phi 的 3 倍以上。

過去 Xeon Phi 在 Top 500 超算中的應(yīng)用比例遠(yuǎn)低于 NVIDIA，主要還是性能價(jià)格比較弱，及針對(duì)目前已經(jīng)成為主流的 AI 加速應(yīng)用的生態(tài)完整度還是有落差，英特爾期望能通過結(jié)合 Nervana、Altera 以及既有優(yōu)勢(shì) CPU 技術(shù)的 Spring Crest 架構(gòu)，確保其在服務(wù)器領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位能夠維持下去。

其他挑戰(zhàn)者

當(dāng)然，目前還有更多計(jì)算架構(gòu)仍在發(fā)展中，比如說量子計(jì)算、光子計(jì)算，甚至是光量子計(jì)算，這種性能超越傳統(tǒng)計(jì)算從百倍到百萬倍的新架構(gòu)預(yù)計(jì)也會(huì)對(duì)未來的超算架構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。

尤其是在能耗方面，傳統(tǒng)半導(dǎo)體架構(gòu)帶來的熱和運(yùn)作能耗是難以解決的問題，這也導(dǎo)致超算的持續(xù)運(yùn)作維持成本可能要高于建構(gòu)成本，若運(yùn)作成本持續(xù)攀高，恐怕會(huì)限制未來超算的發(fā)展空間。而這也是超算排名有了依照絕對(duì)性能排名的 Top 500，還要另外有以能耗比例為比較基準(zhǔn)的 Green 500 的原因。

超算競(jìng)爭(zhēng)的背后是個(gè)別國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的擘劃，但也成為推動(dòng)人類成長(zhǎng)的動(dòng)力

為何發(fā)展超算如此重要？超算的性能可以衡量一個(gè)國(guó)家的技術(shù)實(shí)力，但這是個(gè)狹義的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗俣戎皇怯?jì)算性能的要素之一。另一個(gè)重要元素在于軟件，軟件可以賦予計(jì)算機(jī)生命，通過軟件的發(fā)展，我們就可以把算力分散到各種產(chǎn)業(yè)，協(xié)助產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖｜超算代表的是一個(gè)國(guó)家對(duì)自己技術(shù)根基的投入程度，和國(guó)力的展現(xiàn)

前面也提到，目前從基礎(chǔ)科學(xué)、材料、生醫(yī)、金融、航天、軍事，甚至未來的宇宙理論與太空探勘發(fā)展，都需要龐大算力的支持，過去土法煉鋼，或分頭進(jìn)擊的方式已經(jīng)沒有效率可言，而通過國(guó)家力量的投入，超算已經(jīng)形成未來推動(dòng)人類視野發(fā)展的最大武器。

目前超算的算力競(jìng)爭(zhēng)很多還是出自于期望借相關(guān)發(fā)展來提高對(duì)核心技術(shù)的掌握與對(duì)基礎(chǔ)科研的支持，從而幫助各自產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然出自私心，但其實(shí)也在相當(dāng)程度上共同推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。