新一輪超算競爭：中美爭霸，日本緊跟，第一王座猶如“火山口”

在超算的競爭方面，中國、美國、日本三國均時刻保持著高度警惕和你追我趕的態(tài)勢。

近期，日本理化學(xué)研究所和富士通公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的超級計(jì)算機(jī)正式命名為“富岳”，該超算運(yùn)算速度超過目前日本最快計(jì)算機(jī)“京”的100-120倍，預(yù)計(jì)在2020年啟用后，日本有望爭取登上世界第一超算的寶座?！案辉馈笔歉皇可降膭e名，借此寓意新一代超級計(jì)算機(jī)性能之高、使用領(lǐng)域之廣。

不過，世界第一超算的王座猶如一個火山口，想坐穩(wěn)并不是那么容易的。即使“富岳”登頂世界第一超算，但可以料想的是，其排名隨后可能就會被中美新的超級計(jì)算機(jī)趕超。

截至2019年，中國和美國分別擁有全球500臺最快超級計(jì)算機(jī)的43.8%和23.2%。同時運(yùn)行的兩國都在追求生產(chǎn)第一臺超級計(jì)算機(jī)的最終目標(biāo)。

精密工藝造就彪悍性能

中美日三國共同瞄準(zhǔn)超算

“富岳”繼承和加強(qiáng)了“京”的構(gòu)架，也繼承“京”的程序遺產(chǎn)，以保證高實(shí)用性。“京”目前主要應(yīng)用包括：

在天氣預(yù)報(bào)精度上，可以同時處理世界各地的氣溫、氣壓和風(fēng)速，預(yù)測天氣下一步的變化；

首次對汽車空氣阻力進(jìn)行高精度模擬，節(jié)省了新車開發(fā)費(fèi)用和時間；

在科學(xué)研究方面，描繪地球暖化后的未來世界，解釋宇宙中物質(zhì)誕生的機(jī)理，探索大災(zāi)難發(fā)生時最有效的避難方法等。

而“富岳”系統(tǒng)綜合能力超群，其消耗電力性能、計(jì)算能力、使用簡便性都將是劃時代成果。

值得一提的是，富士通為該超算全新研發(fā)了“富岳”處理器——A64FX，該處理器架構(gòu)轉(zhuǎn)向ARM，富士通并聯(lián)合ARM推出了SVE(可伸縮矢量擴(kuò)展)指令集，支持512bit浮點(diǎn)運(yùn)算單元，大幅強(qiáng)化浮點(diǎn)性能。

A64FX的架構(gòu)設(shè)計(jì)也很特別，有48個計(jì)算核心及4個協(xié)助核心組成，分為四個CMG單元，每個單元13個核心，28Gbps I/O帶寬，16條PCIe 3.0通道。

A64FX將使用高性能的HBM 2內(nèi)存，每個CMG單元配備8GB HBM 2，帶寬256GB/s，總計(jì)32GB HBM 2，1024GB/s帶寬。

A64FX處理器使用7nm FinFET工藝生產(chǎn)，87.86億個晶體管，性能可達(dá)2.7TFLOPS，是前代的SPARC V9處理器1.1TFLOPS的2.5倍左右。

如此之高的制造工藝造就了“富岳”強(qiáng)悍的運(yùn)算性能，其運(yùn)算性能超出“京”的100-120倍，耗電也較“京”的12.7兆瓦僅高出三倍，約為30-40兆瓦，并設(shè)計(jì)為適合深度學(xué)習(xí)等人工智能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

在排名方面，“京”在2011年的開發(fā)階段，運(yùn)算速度在全球排行榜中居首，但截至去年11月的最新排名為第18位。

前幾名為美國和中國的超級計(jì)算機(jī)。美國和中國也表示到2020-2021年開發(fā)擁有“富岳”同等能力的超級計(jì)算機(jī)。

制造工藝極限有待突破

超算領(lǐng)域的競爭永無止境

在超算領(lǐng)域，沒有什么是絕對的，有的只是相對，排名如此，格局亦如此。

20世紀(jì)90年代初期，個人計(jì)算機(jī)正式從16比特進(jìn)化到32比特。64位精簡指令處理器出現(xiàn)并應(yīng)用于商用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

彼時，超級計(jì)算機(jī)商業(yè)大戰(zhàn)正處于鼎盛時期，采用專用的矢量型處理器可以同時處理大量運(yùn)算，美國處于領(lǐng)先地位。隨后，由通用處理器組成的標(biāo)量類型出現(xiàn)，超級計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到標(biāo)量類型。

矢量計(jì)算機(jī)也被稱為“向量計(jì)算機(jī)”，它是一種能夠進(jìn)行矢量運(yùn)算，以流水處理為主要特征的電子計(jì)算機(jī)。對多組數(shù)據(jù)成批地進(jìn)行同樣的運(yùn)算，得到一批結(jié)果的運(yùn)算方法，即被稱為“矢量運(yùn)算”。

如果一次只能對一組數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，則稱為“標(biāo)量運(yùn)算”。顯然，矢量運(yùn)算的速度要比標(biāo)量運(yùn)算的速度快許多倍。以前的大中型計(jì)算機(jī)一般只能作標(biāo)量運(yùn)算，目前世界上運(yùn)算速度超過一億次以上的巨型計(jì)算機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)成為矢量計(jì)算機(jī)。

注重矢量型超級計(jì)算機(jī)的是日本電氣股份有限公司(NEC)，在每半年評比一次的超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名中，NEC和日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)的“地球模擬”超級計(jì)算機(jī)在2002年獲得世界第一，這一紀(jì)錄保持了兩年半之久。

“地球模擬器”向世界展示了日本的實(shí)力。但自2004年被美國IBM奪回第一名之后，日本遠(yuǎn)離了超級計(jì)算機(jī)性能排行榜的前幾名。

日本在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的再次輝煌是“京”時代。2011年，理化學(xué)研究所和富士通合作設(shè)計(jì)制造的超級計(jì)算機(jī)“京”又一次坐上了世界第一的寶座，超級計(jì)算機(jī)重新被定位為日本國家根本的基礎(chǔ)技術(shù)。

近年來，在超算王座的競爭中出現(xiàn)了中國身影。中國超算連續(xù)5年在競爭中排名第一。直到2018年11月，美國能源部所屬奧克里奇國家實(shí)驗(yàn)室與IBM制造了“頂點(diǎn)”超級計(jì)算機(jī)，重新奪回了世界第一的位置。

“頂點(diǎn)”旨在將“CPU+GPU”處理器組合起來，根據(jù)用途分擔(dān)擅長處理的“異構(gòu)計(jì)算”。今年5月，美國公布了新型超級計(jì)算機(jī)“前沿”的開發(fā)計(jì)劃?！扒把亍迸c“富岳”一樣，將應(yīng)用在人工智能等領(lǐng)域，新一輪的超算競爭或許會在中、美、日之間擦出新的火花。

但就超算制造工藝而言，超級計(jì)算機(jī)以及支撐超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)接近目前基礎(chǔ)科學(xué)的極限。世界主要幾個國家正在研究遠(yuǎn)超目前超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的數(shù)字退火計(jì)算機(jī)以及未來的量子計(jì)算機(jī)。

今年，富士通公司成功研發(fā)出了“數(shù)字退火”(Digital Annealer)計(jì)算機(jī)，這是目前唯一解決“組合優(yōu)化問題”的實(shí)用化計(jì)算機(jī)。

“退火”是指借鑒傳統(tǒng)固體退火物理原理設(shè)計(jì)的算法，數(shù)字退火是一種介于目前超級計(jì)算機(jī)和未來量子計(jì)算機(jī)之間的全新構(gòu)架計(jì)算模式。

該計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度驚人，日本超級計(jì)算機(jī)“京”需要8億年時間才能完成的運(yùn)算，“數(shù)字退火”計(jì)算只需一秒即可完成。

此外，目前半導(dǎo)體工藝也遭遇到了極限挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體工藝的極限是1納米，而現(xiàn)在已做到了3納米?？茖W(xué)家正在努力尋找非半導(dǎo)體的下一個突破，而突破何時到來尚不可知。

當(dāng)然，超算如今已成為科學(xué)力量的一種象征，不計(jì)其數(shù)的超級計(jì)算中心，以及它們所擁有巨大的底層計(jì)算能力，將為國家的聲譽(yù)和戰(zhàn)略競爭力提供不可替代價(jià)值，無論是哪個國家都不想錯過。

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