日本“富岳”暫時(shí)稱霸世界最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜

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(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單，其中日本超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”（Fugaku）摘得桂冠，成為目前世界上最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1,2]?！案辉馈钡母↑c(diǎn)運(yùn)算速度峰值高達(dá)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“頂點(diǎn)”（Summit）超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒20億億次）快了一倍多。超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異。超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)（每秒93千萬億次）被“頂點(diǎn)”取代[2]。

TOP500排名不僅僅是運(yùn)算速度的角逐。隨著學(xué)術(shù)研究不斷進(jìn)步和商業(yè)需求不斷擴(kuò)大，超級(jí)計(jì)算機(jī)朝著復(fù)雜化、大容量方向發(fā)展。

美國加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的物理學(xué)教授兼開放科學(xué)網(wǎng)格（Open Science Grid，美國國家分布式計(jì)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(jì)算）項(xiàng)目的執(zhí)行董事Frank Würthwein表示：“這實(shí)際上是讓原本不可能實(shí)現(xiàn)的計(jì)算成為可能?！?/p>

這些頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)在許多研究應(yīng)用中表現(xiàn)出超乎尋常的能力。超級(jí)計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行天體物理學(xué)模擬和宇宙學(xué)模擬，以更高的分辨率模擬大片宇宙區(qū)域，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天氣和氣候變化。超級(jí)計(jì)算機(jī)不需進(jìn)行核試驗(yàn)，即可模擬核電站和核武器爆炸。此外超級(jí)計(jì)算機(jī)也可用于測(cè)序和分析人類基因組。超級(jí)計(jì)算機(jī)還可用于航空航天、醫(yī)療和制藥行業(yè)的商業(yè)研究?！案辉馈睉?yīng)用于前沿科學(xué)研究，其計(jì)算速度超快，可以模擬嚴(yán)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(jí)計(jì)算機(jī)具有極高的使用價(jià)值。人類對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的時(shí)間需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其可用性。美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室超級(jí)計(jì)算設(shè)施（US Department of Energy’s OakRidge Leadership Computing Facility）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Justin Whitt表示，超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎一直在運(yùn)行，超級(jí)計(jì)算機(jī)的使用時(shí)間通常超過其可容納量的4～5倍。更多的超級(jí)計(jì)算機(jī)和更強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)意味著更大的科技進(jìn)步潛力。幾乎所有科學(xué)家都會(huì)說超級(jí)計(jì)算機(jī)很強(qiáng)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(xué)特性和保真度，為科學(xué)開辟新道路。

“富岳”由日本富士通公司和理研計(jì)算科學(xué)中心（日本神戶）聯(lián)合開發(fā)，由700多萬個(gè)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(chǔ)器來加載數(shù)據(jù)（圖1）[4]。它是TOP500名單中第一臺(tái)由高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)處理器（ARM）提供支持的超級(jí)計(jì)算機(jī)。ARM處理器有功率高、成本低等特點(diǎn)，與手機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)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(jì)算。

“富岳”采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建造成本約10億美元，是“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)（2億美元）的5倍，與即將推出的百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的預(yù)期成本相當(dāng)[5]。它的峰值功耗為30 MW，大約是“頂點(diǎn)”的2倍，占地面積為1950 m2，比“頂點(diǎn)”多出一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的面積。美國田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的創(chuàng)新計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)測(cè)試的發(fā)起者Jack Dongarra說：“這些計(jì)算機(jī)體積非常大，相當(dāng)于兩個(gè)或者更多個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)?！彼€表示超級(jí)計(jì)算機(jī)（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(dòng)力。從今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，幾十年前的早期超級(jí)計(jì)算機(jī)既笨拙又緩慢。他還說到：“我的筆記本電腦比1993年最快的計(jì)算機(jī)還快?！?/p>

圖1.一個(gè)機(jī)柜包括近15.9萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接在一起為“富岳”超級(jí)計(jì)算機(jī)供電。整臺(tái)機(jī)器占地面積為1950 m2，相當(dāng)于3個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)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(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)程，但“富岳”不會(huì)在榜首位置待太久，預(yù)計(jì)2021年許多百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)將研制完成。這些百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度要比當(dāng)前大多數(shù)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)快一個(gè)數(shù)量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)每秒百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算。美國田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室打造的“前沿”（Frontier）超級(jí)計(jì)算機(jī)的占地面積相當(dāng)于10個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)。美國伊利諾伊州阿貢國家實(shí)驗(yàn)室研制的“極光”（Aurora）超級(jí)計(jì)算機(jī)和加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室研制的“El Capitan”超級(jí)計(jì)算機(jī)都有望在2021年突破百億億次級(jí)計(jì)算速度[5,7]。Dongarra表示，中國的“天河3號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)在2020年年末達(dá)到百億億次級(jí)速度，但現(xiàn)在推遲到了2021年。中國入圍TOP500的超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)量為226臺(tái)，美國113臺(tái)，日本29臺(tái)。全球其他超級(jí)計(jì)算機(jī)大國還包括法國（19臺(tái)）、德國（16臺(tái)）、荷蘭（15 臺(tái)）、愛爾蘭共和國（14臺(tái)）、加拿大（13臺(tái)）、英國（10 臺(tái)）和意大利（7臺(tái)）[1]。