神威太湖之光——世界超算冠军

来源：互联网发布：catdrawing转换软件编辑：程序博客网时间：2024/06/11 11:27

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在每年6月和11月发布的超级计算机排行榜上，“天河二号”自2013年至去年连续六次排名第一。而在今年六月发布的榜单上，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的超级计算机“神威太湖之光”以超第二名“天河二号”近三倍的运算速度夺得第一，也成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机。

榜单介绍

榜单链接
榜单前十名除了“神威·太湖之光”与“天河二号”外，其他分别是美国的“泰坦”与“红杉”、日本的“京”、美国的“米拉”和“三一”、瑞士的“代恩特峰”、德国的“花尾榛鸡”和沙特阿拉伯的“沙欣II”。
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此次榜单还有一个重大变动是，美国入围的超级计算机总数量首次跌下第一位置。国际TOP500组织在一份声明中说，由于过去一些年中国工业和研究部门注册提交的系统数量剧增，中国现在入榜的超级计算机数量达到167台，超过美国的165台。此外，由于中国占据TOP榜单头两名，中国在计算性能类别上也居于领先位置。
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研发背景

超级计算机，被称为“国之重器”，超级计算属于战略高技术领域，是世界各国竞相角逐的科技制高点，也是一个国家科技实力的重要标志之一。自中国863计划实施以来，国家高度重视并且支持超级计算系统的研发，但由于基础薄弱起步较晚，在国际舞台中一直受制于人，美国更是在2015年宣布对中国禁售高性能处理器。

2013年，中国天河二号正式亮相，在此后的三年里，天河二号在全球超级计算机榜单上保持“六连冠”，稳坐第一把交椅。然而，这惹恼了美国人，正当天河二号在蝉联六次第一后，准备进行一次全面升级继续保持领先时，美国商务部出手了。

2015年4月，美国商务部以“违反”美国国家安全或外交政策利益的活动为由，禁止英特尔向中国4家国家超级计算机机构出售“至强”（XEON）芯片。

为什么美国人如此提防？因为超级计算机技术是一个国家科技实力的象征，最重要的是它还有两个军事用途：模拟核爆和解密。

曾担任奥巴马总统网络安全顾问的刘易斯表示，超级计算机能够协助开发更好的武器、破译密码，因此也是“美中两国间不断升级的军备竞赛的一部分”。

国之重器，不可轻易示人。美国总统奥巴马甚至叫嚣建造一台运算速度比“天河二号”快30倍的超级计算机，从而帮助保持美国在科研领域的领先地位。美国人深知超算的威力，所以只好用卑鄙的手段卡住了天河二号的“心脏”。

当时，在美国宣布向中国禁售芯片的新闻下，就有美国网友这样留言：
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“华盛顿要禁止向中国超算业出口高端芯片，实在是很讽刺。这些同样的芯片也提供给了美国的各个超算企业，很可能还享受更低的价格。然而他们在过去几年里，都没能创造出全球第一的超级计算机，这个位置还是被天河二号所占据。芯片禁售是个肮脏的把戏，美国没法在公平的环境里竞争取胜，就使出这些昏招。不幸的是，这还严重损害了美国科技行业在国际市场上的可靠伙伴的形象。”

组成结构

首先介绍一台超级计算机的组成。

超算系统可以分为软件系统和硬件系统两部分。

超级计算机硬件系统主要由高速运算系统、高速互连通信网络系统、存储系统、维护监控系统、电源系统、冷却系统和结构组装设计等部分组成。具体来说：

高速运算系统负责逻辑复杂的调度和串行任务和并行度高的任务，可以是采用同构计算（纯CPU组成计算节点），也可以采用异构计算（CPU+加速器组成计算节点）；

高速互连通信网络由infiniband、高速以太网、自定制互联机制构成，将所有计算节点连接起来，使其成为一个整体；

存储系统由内存和外存组成，负责数据交换和储存；

维护监控系统保障超算不死机、不出错，毕竟每隔几秒出一次错，死一次机，这种足以让超算的使用者精神崩溃；

电源系统包装能源供应；

冷却系统帮助超算降温，防止出现超算过热而造成的不良后果；

结构组装设计是将上述系统装载到一起，在保障性能和稳定性的基础上，实现机柜体积最小。

超级计算机软件系统主要包括操作系统、编译系统、并行程序开发环境、科学计算可视化系统等四个重要组成部分。具体来说：

操作系统系统主要包括对同构技术或异构协同支持，高效能支撑扩张，基础服务内核，全局并行文件系统；

编译系统的功能是支持C、C++、Fortran77/90/95等编程语言，支持OpenCL、OpenMP、MPI等并行编程语言，支持编译优化；

并行程序开发环境的功能是提供程序接口，支持应用程序的调试和性能分析；

科学计算可视化系统由海量数据服务模块、并行绘制与显示模块和可视化映射与操作模块组成。

因此，运算系统、存储系统、互联系统、操作系统、基础库、应用软件，以及监系统控、冷却系统、电源系统等都是超算的重要组成部分。因此，一些人称因国产超算使用美国Intel的CPU，因而不具备技术含量，将CPU等同于超算的全部技术的说法显然是非常不科学的。

而“神威·太湖之光”所有核心部件全国产化。它由40个运算机柜和8个网络机柜组成。每个运算机柜比家用的双门冰箱略大，打开柜门，4块由32块运算插件组成的超节点分布其中。每个插件由4个运算节点板组成，一个运算节点板又含2块“申威26010”高性能处理器。一台机柜就有1024块处理器，整台“神威·太湖之光”共有40960块处理器。

主要特点

“神威太湖之光”超算拥有40960个计算节点，使用了上海高性能集成电路设计中心设计的国产众核芯片申威26010，采用28nm制程工艺，主频1.45G，拥有260个核心，双精浮点峰值高达3.06TFlops，在双精浮点上完全追平了Intel最好的超算芯片。正是得益于国产众核芯片申威26010的强悍性能，加上良好的体系结构设计以及互联网络等核心部件，使超算拥有异乎寻常的高性能、高效率、低功耗、高性能功耗比和小体积：

高性能：神威太湖之光双精浮点峰值高达125PFlops，稳定性能为93PFlops，相比较之下，美国超算泰坦的双精浮点峰值高达27 Pflops，稳定性能为17.6 PFlops，天河2号的双精浮点峰值高达54.9Pflops，稳定性能为30.65PFlops，由此可见，“神威太湖之光”在稳定性能是美国超算泰坦的5.2倍（泰坦很可能是美国现在顶尖的超算之一，完成升级的Stampede2性能为18PFlops）。

高效率：“神威太湖之光”整机效率高达74.16%，相比较之下，美国超算泰坦的整机效率为65.19%，而河2号的整机效率为55.83%，由于超算性能越强，规模越大，整机效率提升就越困难，“神威太湖之光”在稳定性能是美国超算泰坦5.2倍的情况下，整机效率依然大幅优于泰坦，整机效率之高简直令人惊骇！

低功耗：“神威太湖之光”的功耗为15.3 MW，美国超算泰坦功耗为9MW，天河2号为17.8 MW，可以说，“神威太湖之光”的稳定性能达到天河2号3倍的水平，但整机功耗却低于天河2号。

性能功耗比高：“神威太湖之光”的性能功耗比高达6G/W，相比之下，TOP500超算榜单上的竞争对手都相形见绌天河2号的整机性能功耗比为1.95G/W，美国泰坦超算的性能功耗比为2.143G/W，美国超算红杉整机性能功耗比为2.069G/W，日本超算“京”整机性能功耗比为0.830/W，美国超算Mira整机性能功耗比为2.069G/W（Mira和红杉用的都是IBM的Power）……即便是全球Green500排行榜，“神威太湖之光”也能排至第三位。由于Green500排行榜第一和第二的超算只采用了低功耗版的Intel E5，性能非常弱，而即便是采用英伟达K80加速卡的超算，其整机性能功耗比也只有4.7G/W。因此，“神威太湖之光”在性能功耗比上显得格外耀眼。

小体积：“神威太湖之光”机柜占地605平方米，美国超算泰坦机柜占地面积404平方米，天河2号机柜占地面积720平方米。

研制意义

依托“神威·太湖之光”，以清华大学为主体的科研团队首次实现了百万核规模的全球10公里高分辨率地球系统数值模拟，这一成果将全面提高我国应对极端气候和自然灾害的减灾防灾能力；国家计算流体力学实验室对“天宫一号”返回路径的数值模拟结果令人振奋，将为“天宫一号”顺利回家提供精确预测；上海药物所开展的药物筛选和疾病机理研究，短短2周就完成常规需要10个月的计算，大大加速了白血病、癌症、禽流感等方向的药物设计进度。

多方评价

“中国已在这场比赛中大幅领先”，美国劳伦斯伯克利国家实验室副主任西蒙称，超级计算机系统的每一部件均在中国本土制造意义重大。该实验室是超级计算机的主要用户，协助编制全球超级计算机500强名单。“TOP500”网站评论说，“神威·太湖之光”的性能结束了“中国智能依靠西方技术才能在超算领域拔得头筹”的时代。

“凭借一套搭载本土自主研发处理器芯片的世界一流超级计算机系统，中国巩固了在这一计算机最高领域的领导地位。”《华尔街日报》20日称，“神威·太湖之光”是中国首台未使用美国芯片技术且运行速度排名世界第一的计算机。

排行榜主要编撰人、美国田纳西大学计算机学教授杰克·唐加拉评价道，中国超级计算机不断增多已成为一个“趋势”。“２００１年中国上榜数量还是零，但今天中国已经超过美国，”唐加拉对新华社记者说，“没有其他国家有这样快的增长速度。”唐加拉认为，超级计算机“比以往任何时候都重要”，能为能源、医药、飞机制造、汽车与娱乐业等广泛领域的行业提供高性能计算服务。“更强大的计算能力将使得这些不同行业更快地生产出优异新产品，从而提高一个国家的竞争力”。

还有一些外国网友的表现：
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结语

虽然“神威太湖之光”在整机性能、整机功耗、整机效率、性能功耗比等重要参数上无与伦比，但也并非尽善尽美，它也有自己的阿克琉斯之踵其内存只有1.31 PB（天河2号为1.4PB）。另外，由于国产众核芯片内存带宽仅有136.51G，而且用的还是DDR3，相比之下，Intel的KNL和英伟达的Tesla都采用3D堆叠内存，内存带宽更是达到512G(Intel PHI) 和 720G（英伟达 Tesla）。因为单个CPU的内存带宽不大，所以对于现实生活中的应用，很难跑出接近峰值的性能。对于某些对内存带宽要求高的应用，实际使用中就不如Tesla和PHI了。

不过，这并非申威26010和“神威太湖之光”的硬伤，得益于申威26010异乎寻常的设计理念，使申威26010单芯片能够完成Intel E5+PHI，或Power+Tesla两款产品的功能，而且相对于Intel E5+PHI，或Power+Tesla,申威26010能够实现共享内存，这就避免了Intel E5+PHI，或Power+Tesla必须面对的显式拷贝，从而降低了对内存的压力，并减小了性能损失。笔者猜测，正是因为申威26010异常先进的设计理念，一定程度上弥补了内存上的不足，使中国科研人员敢于采用136.51G的内存方案。

虽然有内存上的瑕疵，但瑕不掩瑜在美国的100P超算问世之前（估计要2018年前后），“神威太湖之光”会是全球性能最好的超算。

材料来源：
http://military.china.com/history4/62/20160621/22913370_3.html
http://news.xinhuanet.com/tech/2016-06/20/c_1119077061.htm
http://www.zhihu.com/question/47628487?rf=47627908
http://mil.news.sina.com.cn/china/2016-09-21/doc-ifxvyqvy6974736.shtml
http://www.elecfans.com/baike/computer/fuwuqi/20160801429668.html
http://baike.baidu.com/link?url=CKYgZ8OWGEhg_zcCO5QaaUmurPm-ijCa37fIyatSAUxZRYVMBTLc1voabIP9UP67Q7PR_MCy4pzUPCWfm8G1nR9VVRmjLAShcfUDD0yK6Tp-h53PyTUfLbBfdudFPLEbdfP7aEUJzFhY5cNc7dtFIt3MQwkfQ327eA8gXd4PNYlKiVCztuNMSHWSnBGAk9RTe6hm3JJFHqJqi48KRX8cEPlCJmrOjn-cGWz_c4ZDS7TqhLvK50FkUwaRrbC2YUXG7p-7wj-du_zckPwKIgYyZCtQrdQ4lkNsAbP26FpVFEFBpNT6DYofL9cri6ZYiCTPfW7KG9u14NSOQB163NURrK

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