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(jī)500強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“頂點(diǎn)”Summit，以每秒14.86億億次的浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jī)按國別進(jìn)行歸類，來自中國的超算上榜比例高達(dá)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(jī)。

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(qiáng)悍的計算個體芯片、先進(jìn)的運(yùn)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(shí)力的體現(xiàn)一點(diǎn)也不為過。

我國的超算起步比較晚，但是進(jìn)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(jī)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(yán)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(shí)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(jìn)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)“絕地反殺”。中國目前最強(qiáng)大的超級計算機(jī)——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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)箱就可放置256個計算節(jié)點(diǎn)，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?yàn)樯晖幚砥髯哉Q生之初就背負(fù)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)對“神威·太湖之光”高達(dá)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(shí)際上，單個CPU強(qiáng)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(shí)力上，比美國強(qiáng)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(jī)、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(jī)器并行運(yùn)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(jìn)芯片的制造工藝設(shè)計水平，盡量把單個芯片的性能做強(qiáng)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(yuǎn)沒達(dá)到要求。

與此同時，商用領(lǐng)域有各種專利，電腦芯片、手機(jī)芯片、操作系統(tǒng)等都被美國企業(yè)壟斷，中國再想進(jìn)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(jī)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(jìn)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(xiàng)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(fèi)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(qiáng)大，ARM, Intel, AMD, 高通，NVIDIA......任何一個美國芯片公司都具有足夠強(qiáng)大的實(shí)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(jī)項(xiàng)目的贊助撥款，轉(zhuǎn)而開始大力投資量子計算機(jī)的研發(fā)工作。這也是此前美國超級計算機(jī)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(qiáng)大的前沿科技研發(fā)的工具。

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