中美日欧秣马厉兵 冲击“E超”胜算几何？

　　在不久前公布的全球超级计算机TOP500排行榜中，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”一鸣惊人，不仅夺得冠军，而且将计算速度刷新为93PFlops（每秒9.3亿亿次）。“神威·太湖之光”以其接近100PFlops的运算速度，而以前更多处于探讨阶段的目标开始浮出水面。E级超算是超算的另一座高峰吗？

　　答案是肯定的。在跨越十亿亿次超级计算机这道坎后，世界各国争夺的下一个超算皇冠就是E级超算，也就是百亿亿次超算计算机。预计在2020年左右，E级超算将变成现实。不过由于技术方面的种种限制，特别是功耗的限制，E级超级计算机的研制从现阶段看仍有相当大的难度。

　　6月24日，数据中心端到端互连方案提供商Mellanox公司宣布，已与美国太平洋西北国家实验室（PNNL）签署技术合作协议，共同研究开发针对E级超算平台的相关技术，主要包括研发一个基于InfiniBand的百亿亿次超算系统，以满足美国能源部的研究需要。

　　E级超算要翻越几道“墙”？

　　制约E级超算的技术瓶颈在哪里？架构、存储、网络、软件、成本、能耗还是其他因素？中国计算机学会高性能计算专委会秘书长、中科院计算所研究员张云泉认为，最关键的还是功耗问题。如何能够在达到百亿亿次超算的前提下，将功耗控制在30MW，甚至20MW之内，是世界各国面临的共同难题。

　　如果将功耗控制在20MW，就要求E级超算系统的每瓦性能达到50GFlops，而目前的超算系统还只能达到6GFlops，中间有巨大的差距。现在，各国都采用异构加速或异构综合的方式来降低功耗。但是，这样做带来的是编程的困难。

　　综合来看，E级超算目前主要面临编程、功耗、可靠性和存储等几堵“墙”。翻越这几堵“墙”，对于E级超算的玩家来说是严峻的挑战。从“神威·太湖之光”这次的突破来看，目前我国已经初步具备了冲击E级超算系统的条件，异构综合体系架构可以作为冲击E级超算系统的可选的技术路线之一。

　　张云泉认为，“神威·太湖之光”的横空出世，表明我国在E级超算的技术储备，特别是硬件储备上已经有了比较好的基础，现在最需要补足的是对E级超算应用需求的分析和E级超算应用软件的开发，以及相关生态系统的建立，尤其是软件生态系统的建立。整个业界要论证清楚，我们为什么要发展E级超级计算机，E级超级计算机的应用可以给国家和企业带来什么样的益处。只有清楚地回答了上述问题，E级超算的研发才能真正做到有的放矢。

　　目前，很多国家已经开始研制E级超算的原型机。如果将商用的完整的E级超级计算机比作一处优美的风景，那么原型机只是一个按比例缩小了的微缩景观。从小系统到大系统，规模的增加意味着实现难度也呈几何级数增加。原型系统不可能暴露最终系统的所有问题，只能验证一些关键的技术设想，对一些关键技术难点进行测试和改进，为最后建造整个系统扫清障碍，避免出现大的技术错误和难题。

　　张云泉介绍说，E级超算主要还是用于解决一些具有重大计算需求的问题。E级超算系统本身的研发就很困难，再加上当前应用需求还没有跟上来，因此一些国家对于发展E级超算系统产生了顾虑。今天，人们能够看到的E级超算的应用需求主要集中在，如全球气候变化模拟、天体物理大数据的处理（如SKA项目）、模拟宇宙的演化、模拟新型材料和核武器研究等领域。

　　除了科学计算以外，E级超算也可以在深度学习、大数据、云计算等领域发挥重要作用，进一步提高人们对海量数据的处理和利用能力，同时对上下游的核心技术和关键部件的研发、应用环境和软件的孵化产生积极的促进作用。

　　冲击“E超”指日可待

　　“神威·太湖之光”的出现，让我们看到了E级超算这顶皇冠上散发出的耀眼光芒。

　　在我国最新公布的“十三五”高性能计算专项课题中，3个E级超算的原型系统研制项目赫然在列，这三大原型系统将分别由中科曙光、国防科技大学和江南计算技术研究所牵头研制。目前，三个原型系统的研制工作都已经启动，不过最后哪个项目会脱颖而出，国家级的E级超算系统将由谁负责建造，系统安装在哪里，现在还没有定论。

　　在“十三五”规划中，对于E级超算系统的研制，我国采取了竞争的原则，这也是参考和学习美国惯用的方式，最开始的原型系统由三家单位各自设计。两年之后，国家要对三个原型系统进行评估，从中选择两个单位，进入下一阶段的研发，最终选择一个单位负责最后的E级超算系统的实现机型研制。张云泉认为，三家研制单位在技术方面可能会产生交集，也不排除技术合作的可能。国家将从三家研制单位各自的技术路线图中选取最优的方案，进行整合，最终构成国家的E级超算应用体系。

　　中国计划在2020年左右，也就是在“十三五”规划结束的时候，推出E级超算系统。欧盟希望于2020年左右实现其E级超算计划，目前普尔公司正在具体实施这一计划。日本的计划也是在2020年实现其E级超算计划，可能由日立公司或富士公司来承担这一重任。美国似乎对E级超算有些“悲观”，相比其他国家雄心勃勃的计划，在时间上略有推迟，计划于2022年发布其E级超算系统。

　　从全球范围来看，目前各国的E级超算系统都处于研制过程当中，还没有成功的应用案例。我国与其他国家在E级超算系统的研发上处于同一个起跑线上。张云泉表示：“我们只要利用好现在这个有利时机，尽快弥补在应用研发上的不足，加快研制出适合E级超算系统的软件，就可以保证我国在E级超算的应用方面达到国际先进水平。现在，全球可以应用于E级超算系统的软件有6个，我国就有3个，占了其中的一半，说明我们已经在E级超算的应用方面抢得了先机。”

　　在E级超级计算机的研发方面，各国都在摩拳擦掌，中国、美国、日本和欧盟已经冲在前面，究竟谁能最先推出商用的E级超级计算机，现在就下断言还为时过早。张云泉认为，拨巨款用于E级超级计算机研发的中国目前处于有利位置：“只要坚持下去，不松懈，中国就有在E级超算领域拔得头筹的机会。大家可以拭目以待。”

　　E级超算的原型系统与最终的系统之间还是有很大差距的。仅从研发经费上说，开发原型系统的经费只有区区几千万元，即使是按1∶2的配套来计算的话，研发经费最多也就接近1亿元。因此，原型系统只能实现最终系统很少的一部分功能，性能达到几十Pflops就已经非常了得。原型系统只能验证一些应急性的关键技术，为真正的E级超算系统打下基础，同时探索各种不同的技术路线和技术架构。总之，原型系统与最终的E级超算系统是有较大差距的，它可以为论证E级超算系统的可行性提供一定的参考和借鉴。

　　之所以说“神威·太湖之光”让我们看到了E级超算系统的曙光，是因为它接近了100Pflops的性能峰值。从100Pflops到1000Pflops，这中间还要不断突破性能的峰值。不过，“神威·太湖之光”的成功让人们看到了继续实现性能突破的可能性。目前，“神威·太湖之光”采用的还是28纳米技术，在性能上仍有很大的挖掘空间。这让中国的E级超算研发人员看到了更多成功的希望。

　　张云泉表示，“神威·太湖之光”的成功至少证明了，它所使用的申威26010高性能处理器的这种异构、众核的体系架构是可以支撑100Pflops超算系统的，但是否能够支撑E级超算系统，还要经过实际的应用和测试，才能得到进一步验证。超算体系架构的研究者应该根据各方面的反馈对架构进行持续改进，为下一步向E级超算迈进提供经验和借鉴，为实现E级超算综合能力的全面提升奠定更加坚实的基础。

　　“神威·太湖之光”除了在全球超级计算机TOP500中夺魁让人感到惊喜以外，它在自主可控方面的全面突破也值得充分肯定。该系统实现了包括处理器在内的所有核心部件全面国产化。张云泉认为：“未来，我国在E级超算领域实现自主可控不成问题，因为‘神威·太湖之光’已经打下了一个坚实的基础。这就像攀登珠穆朗玛峰，我们之前已经建立了营地，做好了技术、人才、资源、材料、经费等诸多方面的准备，接下来只要完成最后的登顶即可。只要全国上下一心，我国实现E级超算指日可待。”

　　据记者了解，由中科曙光牵头的E级超算原型系统研制项目将于7月4日举行的曙光技术创新大会（IDIC2016）上正式启动。中科曙光与中科院计算所先后研制完成了从曙光1号到曙光6000共7代高性能计算机，掌握了高性能计算机HPP体系结构、高效能刀片服务器、3D-Torus网络、高性能网络交换机、大规模并行存储等一系列核心技术，并逐步实现了超算系统产业化，具备强大的研发实力。中科曙光此次围绕E级超算原型系统进行的研制工作是对E级超算又一次有益的探索。

　　E级超算并非尽头

　　随着计算技术的进步，以及用户越来越关注应用，而不是单纯的性能指标，作为全球超级计算机TOP500排名依据的Linpack测试，如今也暴露出一些问题，比如与实际应用的关联并不紧密，对架构创新的激励作用日益降低，系统整体可用性越来越不可测量，排行榜被当作市场营销的工具等。Linpack测试是不是已经“Out”了？是不是有新的评判标准可以取代Linpack测试？

　　其实，业界对Linpack测试的批评由来已久。在过去几十年中，Linpack的成功伴随着很多批评和质疑的声音。人们对Linpack的质疑主要集中在，Linpack只反映了高性能计算体系结构的一个方面的情况，不能全面、真实地反映出软件的性能和效率。

　　“人们之所以批评Linpack测试，因为它不能反映真实的应用效率，表面上显示其效率为70%左右，而实际的应用效率可能只有5%~10%。很多人认为，Linpack测试将高性能计算体系结构的研发引到了一个错误的方向上。现在，很多新的Benchmark测试方法想取代Linpack，但是并不成功。比如，Green500已经被TOP500合并，还有Graph500、HPCG等并没有形成气候。”张云泉表示，“目前为止，还没有任何一个新的Benchmark测试可以取代Linpack的地位。”

　　发展高性能计算的实际意义在于，使用超级计算机，再配上相应的空间模拟软件和仿真软件、设计软件，可以对企业的设计创新和产品创新产生巨大的推动作用。张云泉认为，如果中国广大的中小企业能够利用一部分超算的资源，就足以支撑其创新的应用需求，尤其是在产品设计和精细化设计的过程中将超算系统用于模拟，企业的创新能力将得到极大提升。

　　■本报记者 郭涛

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