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中美超級計算機實力對比

2018-08-06
作者:王偉

  今年6月,最新的超算TOP 500榜單公布,美國能源部田納西州橡樹嶺國家實驗室 (Oak Ridge National Lab)推出的超級計算機“Summit” (頂點)奪得冠軍,此前連續四屆占據TOP 500榜首的神威·太湖之光退居第二。數據顯示,Summit 20億億次的性能比神威·太湖之光高出60%。雖然我國痛失超算榜首位置,但從上榜的超算總數上看,中國以206臺位居第一,占比超40%,而美國只有124臺。可以說,雙方各有勝負。

  美:長期占據榜首 芯片競爭優勢明顯

  在超級計算機的發展歷史中,美國一直獨占鰲頭,這不容否認。只有在近幾年,中國的超級計算實力奮起直追,才可與之相爭。盡管如此,在歷屆超級計算機榜單上,美國擁有的機器數量大部分時間超過了中國,且美國在超級計算機排行榜TOP500中的總數量也居于全球首位。

  除數量外,在超級計算機芯片領域,美國一直以來居于絕對的領先地位。在十幾年前,超級計算機芯片供應商只有英特爾、IBM兩家公司,英特爾與IBM型成了相對平衡雙寡頭局面。而之后AMD又參與了超級計算機芯片競爭,2015年,因美國開始對中國超級計算機領域施行芯片禁運,痛定思痛之后大力投入超級計算機研發工作。然而現狀來看,美國英特爾公司仍是全球芯片領域的老大,在最新TOP500榜單上的500臺超算中,就有476臺使用英特爾的芯片。

  中:進展神速 以自主研發突破困局

  在2008年的全球500強超級計算機榜單里,前幾名被美國包攬,而且前100名里中國一席身影都沒有。這種狀況一直持續到2010年,深圳國家超算中心星云超級機實現了前100名零的突破,一舉取得了世界第二的排名。隨后這一情況勢如破竹,2011年,中國天河1A超級計算機超過原排名第一的美國美洲虎系統取得了世界超級計算機的第一把交椅。緊接著從2013年起,我國的超級計算機就一直占據著世界超級計算機排名的第一位。直至本次被美國“Summit”逆襲。但這一敗績不會持續太久,此前5月在天津舉辦的第二屆世界智能大會上,中國國家超算天津中心對外展示了我國新一代百億億次超級計算機“天河三號”原型機,有望在2020年研制成功并重回超算榜首。

  除了TOP500榜單的冠軍的爭奪,在上榜超級計算機的數量上,中國的優勢也在持續擴大。最新榜單顯示,500臺超級計算機中,中國以206臺位居第一,占比超40%,而美國只有124臺。

  而且,我國的超級計算機,在自主可控方面的發展取得巨大進展。我國超算最高性能的代表,神威·太湖之光全部使用 “申威26010”處理器,搭載神威睿思操作系統,實現軟件和硬件全部國產化;天河一號、天河二號、天河三號全部采用的是國產CPU。(天河一號剛出來奪得世界第一,當時確實是用英特爾處理器,后來美國對高端芯片禁止出口,天河一號也全換成國產處理器。)

  下一代超算:需解決并行計算和異構計算兩大難題

  面對中美在超算上的競爭,歐盟、日本、加拿大等都不愿意屈居人后,紛紛布局下一代超算,做技術儲備。

  不少人認為,構建超級計算機就是在做芯片處理的加法,處理器(CPU)越多,計算速度也就越快。事實并非如此。打個比方,三人共同協作完成任務,除去正常開展任務工作外,還需要耗費人力進行任務分解、任務分配、結果歸總等管理工作。管理工作不科學,總體工作效率會大幅降低。所以,和普通計算機相比,超級計算機還有并行計算和異構計算兩大難題需要解決。

  并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程,是提高計算機系統計算速度和處理能力的一種有效手段。它的基本思想是用多個處理器來協同求解同一問題,即將被求解的問題分解成若干個部分,各部分均由一個獨立的處理機來并行計算。并行計算的目的是為了加快求解速度,擴大求解規模。

  異構計算是指使用不同類型指令集和體系架構的計算單元組成系統的計算方式。不同種類的處理器都有適合其處理的任務類型,比如CPU適合做串行、邏輯復雜度高的任務;GPU主要用于圖形處理和矩陣運算,適合做簡單、并行度高的任務;TPU(Tensor Processing Unit,張量處理單元)是為機器學習定制的芯片,主要用于人工智能領域。


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