全球第一的中國超算，自主可控嗎？

6月17日，最新一期全球超級計算機500強榜單出爐，中國超算上榜數(shù)量蟬聯(lián)第一。在中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，中國超算能否保持第一的王座，將命脈掌握在自己手中？

在德國法蘭克福舉行的國際超級計算大會最新榜單上，中國境內(nèi)有219臺超算上榜，上榜數(shù)量位列第一，美國以116臺位列第二。這是2017年11月以來，中國超算上榜數(shù)量連續(xù)第四次位居第一。

在此次榜單上，聯(lián)想、浪潮和中科曙光分別以173臺、71臺和63臺的數(shù)量位居全球超算制造商前三位。

美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的“頂點”Summit，以每秒14.86億億次的浮點運算速度再次登上冠軍寶座，超過了它在半年前榜單上的每秒14.35億億次的紀(jì)錄。

美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發(fā)的“山脊”Sierra 、中國超算“神威·太湖之光”和“天河二號”分列二三四位，最大浮點性能分別為每秒9.464億億次、9.301億億次、6.144億億次，與之前榜單Top4排名沒有變化。

如果把超算TOP 500榜單中的所有超級計算機按國別進行歸類，來自中國的超算上榜比例高達41%，來自美國的超算上榜比例是25%，中美兩個超級大國統(tǒng)治了全球超過65%的超級計算機。

雖然個體被美國超越，但中國超算的規(guī)模仍為全球當(dāng)之無愧的第一。

那么問題來了，除了規(guī)模第一，中國能否超越美國Summit，重奪全球超算性能第一的寶座？

如果美國再次對中國禁售芯片，中國超算還能保持如今的王者地位嗎？

今天我們就來聊聊，中國超算自主可控的那些事兒。

中國超算的“絕地反殺”

構(gòu)建一整套全球頂級的超算系統(tǒng)，并非是單純的堆砌處理器這么簡單，首先要有足夠強悍的計算個體芯片、先進的運算管理技術(shù)、操作系統(tǒng)的支持，以及足夠的財力支持才能夠造得出。

當(dāng)然這一切的背后，最核心的因素是還要有國家層面的政策扶持，以及足夠的尖端科技人才儲備。所以說，超算是一個國家綜合實力的體現(xiàn)一點也不為過。

我國的超算起步比較晚，但是進步神速，這和我國高速發(fā)展需求和國家政策支持有著密不可分的關(guān)系。

中國的天河二號超級計算機曾經(jīng)6次蟬聯(lián)世界超算TOP 500冠軍，確立了中國在全球超算中的絕對地位。

但是由于天河二號早期使用的是Intel Xeon的芯片方案，引來了一些質(zhì)疑和非議。

中國超算的快速崛起也使得美國政府在2015年頒布了引發(fā)轟動的“限售”事件：美國政府嚴禁Intel等公司向中國四家超算中心出口高性能計算芯片。

最近中美貿(mào)易摩擦和中興事件讓中國“芯”提升到了國家戰(zhàn)略的高度，其實在很多年以前美國就已經(jīng)對我國的高尖端芯片領(lǐng)域進行“技術(shù)封鎖”。

2015年美國“限售”事件爆發(fā)，中國決定采用國產(chǎn)芯片替代。直至2017年9月份，廣州超算中心宣布年底前升級天河二號超算系統(tǒng)，使用國產(chǎn)加速器Matrix-2000取代原本的Intel Xeon Phi加速器。

根據(jù)網(wǎng)上資料，Matrix-2000加速器使用的是國產(chǎn)芯片Matrix-2000，由國防科大自主研發(fā)設(shè)計，但架構(gòu)、來源一如既往地神秘。

每個加速卡使用了4顆Matrix-2000芯片，每顆Matrix-2000由128個內(nèi)核組成，頻率1.2GHz，每周期能執(zhí)行16個雙精度運算，處理器峰值性能為2.45TFLOPS。

通過國產(chǎn)芯片升級后，天河二號超級計算機取得了算力翻倍的驚人成績，互聯(lián)與I/O方面性能指標(biāo)也獲得了較大幅度的技術(shù)進步。網(wǎng)絡(luò)帶寬從原來的10Gbps升級到了14Gbps，延遲從1.57us降至1us，內(nèi)存容量從1.4PB升級到了3.4PB，存儲容量從12.4PB升級到了19PB，帶寬翻倍到1TB/s，而功耗則從17.8MW降至16.9MW，能效大幅提升。

在美國“禁售”、中國超算白手起家的大背景下，中國超算憑借自主研發(fā)的Matrix-2000實現(xiàn)“絕地反殺”。中國目前最強大的超級計算機——神威·太湖之光也是在這樣的背景下誕生的。

神威·太湖之光超級計算機安裝了40960個中國自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器。該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。

2016年，國際TOP500組織發(fā)布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級計算機系統(tǒng)登頂榜單之首，不僅速度比第二名“天河二號”快出近兩倍，其效率也提高3倍。

申威26010眾核處理器的出現(xiàn)，基本實現(xiàn)了對Intel Xeon Phi加速卡的替代。雖然在單片的性能上仍舊跟Intel Xeon存在性能上的差距，但是得益于體積和功耗上面的優(yōu)勢，可使得一個小小的機箱就可放置256個計算節(jié)點，同體積計算性能反殺Intel Xeon Phi。

相比其他國產(chǎn)芯片，申威則要顯得更加低調(diào)和神秘一些，因為申威處理器自誕生之初就背負著軍工國防和國家信息安全的使命，其研發(fā)單位總參謀部第五十六研究所（無錫江南計算技術(shù)研究所），于2003年開始著手設(shè)計中國人自己的高性能芯片。在國家"核高基"重大專項支持下，申威處理采用自主指令集開發(fā)，且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

據(jù)最新的消息顯示，我國“天河三號”目前正在積極的研發(fā)大眾，并有望在2020年重新奪回第一寶座，并實現(xiàn)對“神威·太湖之光”高達八倍的性能超越。

更加值得期待的是，“天河三號”有望采用全自主創(chuàng)新設(shè)計，自主飛騰CPU、自主天河高速互聯(lián)通信，以及自主麒麟操作系統(tǒng)。

為什么中國超算領(lǐng)先全球？

大家可能會好奇，國產(chǎn)芯片的制造工藝不如美國，但為什么芯片完全國產(chǎn)的超算“神威太湖之光”，性能卻能力壓美國超算？

而之前“天河二號”使用的是美國Intel芯片，為什么也能力壓美國超算超過6年？

實際上，單個CPU強大并不能決定超算的性能，超算有數(shù)萬個CPU同時工作，CPU之間的數(shù)據(jù)通信非常重要。

CPU只是超算芯片的一種最重要的基礎(chǔ)芯片，CPU還需要和另外兩種非常重要的芯片合作，這就是超算數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換芯片和超算加速及消息處理芯片。中國在超算數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)交換芯片的研發(fā)實力上，比美國強大一大截。

中國超算水平在全世界領(lǐng)先，這是無可爭議的，但是中國在個人電腦、手機、通信等商用芯片等領(lǐng)域，卻反過來被美國吊打，這是為什么呢？超算和普通商用芯片有什么區(qū)別？

這就要說到計算的兩條發(fā)展道路，超算和商用計算是兩條基本不相交的道路。

超算是用很多臺機器并行運算，不用考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)等問題，簡單來說就是把大量的CPU、 GPU芯片組在一起使用，但芯片和操作系統(tǒng)都需要專門定制。由于超算使用自主的操作系統(tǒng)，完全不用管商用領(lǐng)域的X86、 Windows兼不兼容。

而商用計算的發(fā)展道路是，不斷改進芯片的制造工藝設(shè)計水平，盡量把單個芯片的性能做強大。目前，在個人電子和網(wǎng)絡(luò)通訊基站方面的高端芯片，中國還遠沒達到要求。

與此同時，商用領(lǐng)域有各種專利，電腦芯片、手機芯片、操作系統(tǒng)等都被美國企業(yè)壟斷，中國再想進入商用領(lǐng)域就非常艱難了。

正是考慮到了美國政府的問題，中國在超算剛開始研究時，早在上個世紀(jì)就開始布局尋找，如何在計算機芯片領(lǐng)域打破美國的壟斷。

1999年，中國買來康柏Alpha處理器授權(quán)。Alpha是一個技術(shù)上很成功的芯片，但是在商用失敗了。單論性能功耗先進程度來說，Alpha比英特爾的X86架構(gòu)還要好。

之后中國就一直對其研究發(fā)展，在發(fā)展超算的時候兩條腿走路，一邊用國外AMD、 英特爾的技術(shù)發(fā)展超算，一邊用Alpha技術(shù)發(fā)展超算。

在美國對中國禁售芯片之后，中國直接把超算備用選項Alpha上馬，并在幾年之內(nèi)研究出了“神威·太湖之光”。

雖然中國費勁波折發(fā)展出了自主可控的超算，但是我們必須清醒的意識到，在芯片領(lǐng)域所面臨的對手是如此強大，ARM, Intel, AMD, 高通，NVIDIA......任何一個美國芯片公司都具有足夠強大的實力。

同時需要特別注意的是，早在5年前，美國政府就已經(jīng)停止為超級計算機項目的贊助撥款，轉(zhuǎn)而開始大力投資量子計算機的研發(fā)工作。這也是此前美國超級計算機止步不前，最終被中國一舉超越的重要原因。

未來一二十年，美國超算依然是中國的最大對手，甚至可能每隔一兩年，冠軍寶座就會在中美之間不斷更換主人，畢竟超算是最強大的前沿科技研發(fā)的工具。

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