中國蟬聯超級計算機世界第一，美國跌出前三強！

在超級計算機領域，美國的世界霸主地位已經動搖。今天，在德國法蘭克福召開的全球超算大會（ISC2017）公布了「超級計算機500強」榜單，其中，中國超算「神威·太湖之光」與「天河二號」連續第三次奪得榜單前兩位，瑞士的「Piz Daint」排名第三，美國的超算「泰坦」則名列第四。這也是 20 年來美國首次跌出該榜單的前三名。

除了此次落敗，美國還面臨著另一個尷尬局面：中國將會超越美國，成為世界上首個建造出百億億次級（Exascale）超級計算機的國家。有鑒於此，美國能源部選擇對慧與科技（HPE，2015年從惠普拆分出來的獨立公司）提供一大筆研究資金，在其「The Machine」項目構架的基礎上開發出一款百億億次級超級計算機，目的就是奪回全球超級計算機的霸主地位。

圖丨「The Machine」計劃的刀片伺服器單元。慧與準備在接下來的幾年內將其發展為能與DRAM相抗衡的超低延遲存儲系統。

一直以來，美國能源部所使用的超級計算機長期佔據著世界第一的位置。但是在最近的幾年裡，中國已經成功實現追趕超越美國。我國的神威·太湖之光93 PFLOP的極限性能（1 PFLOP 等於每秒一千兆次的浮點運算），相當於美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室開發的「泰坦」（18 PFLOP）超級計算機的 5 倍 。

圖丨美國能源部的「泰坦」（Titan）超級計算機

針對中國的趕超，美國政府曾高調宣布，將在 2021 年左右正式突破百億億次級，以奪回全球最強超級計算機的桂冠。但是中國並沒有原地踏步，反而加速前進：今年 1 月，中國國家超級計算中心正式宣布：將在 2017 年底推出百億億次級超級計算機的原型機，並於 2020 年投入運行。

建造一台百億億次級超級計算機有三個需要攻克的難關：首先就是其海量（GW級別的）的電力需求和冷卻需求；其次是一款可以高效連接成千上萬塊晶元和內存的構架；最終是一個可以進行每秒10的18次方次計算的操作系統和軟體。

其實，不解決這三個難題也可以建造百億億級超級計算機：你只需要把大量的 CPU 堆在一起，直到加起來的 FLOP 量級達到每秒 10 的 18 次方即可。但問題就在於，它並不可能真正以這個速度來運行，或者它的運行成本會高得突破天際。

但是，這樣做的好處就是可以快速搭建出超級計算機原型，而且中國方法可能就是基於此想法：在 2017 年把硬體基礎打好，再花 3 年的時間讓它跑起來。

美國能源部則通過與慧與科技的合作，選擇了一個目的性雖強、但更為緩慢的路徑來實現其百億億次級超級計算機的目標。

實際上，慧與獲得的研究資金來自於美國能源部百億億次級超級計算機項目（Exascale Computing Project, ECP）旗下一個名為PathForward的專項基金。在奧巴馬時代就已經設立的ECP已經對美國多個這類超級計算機研究項目提供了數千萬美元的資金。

但慧與科技所獲得的經費目前還處於保密狀態。

圖丨美國能源部「百億億次級計算計劃」 （ECP）

那麼，慧與的超算計劃到底是什麼？它能否順利通過美國能源部的三輪資助方案，並搶在中國之前造出百億億次級超級計算機？

慧與的計劃是在其「The Machine」項目中的「Memory Driven Computing」（基於存儲的計算架構）的基礎上打造超級計算機。簡單來說，「基於存儲的計算架構」是慧與一系列存儲相關技術的統稱。通過這些技術，慧與可以通過一個由硅光電晶元驅動的光學連接器，將海量（4096堯位元組,即和宇宙中原子數同量級）的相聯內存以高速、低能耗的方式集合在一起。

圖丨慧與「The Machine」項目基本概念圖

其實，慧與科技在 2016 年底就發布了 「The Machine」計劃的原型機。該項目在2014年啟動，旨在從「重新定義計算的基礎架構」。

然而，目前為止的結果卻差強人意，因為慧與不再計劃將「The Machine」進行整體商業化，而是選擇其中的部分技術融入到其他產品線。上述將用於超級計算機的內存架構就是方向之一。

總體上看，目前所有的內存還屬於易失性內存（斷電後內存數據消失）。但是如果惠普能夠成功將其憶阻器進行商業化，或者轉而選擇使用 Intel 的 3D XPoint，這些內存就會變成非易失性內存（斷電後內存數據不消失）。這樣做的直接結果就是極大的模糊傳統內存與傳統硬碟存儲器之間的界限，在存儲速度和存儲容量上找到最佳的平衡點。

圖丨惠普自家的憶阻器晶圓（上圖）與Intel的3D XPoint內存（下圖）。這類產品旨在模糊傳統內存與硬碟之間的界限

此外，晶元與內存的連接方式也是慧與技術方案中的一大亮點：從下圖的原型機來看，系統晶元通過硅光電材料連接到非易失性內存，因此推斷機箱底部的排線應為光纖線纜。根據慧與的介紹，通過這種連接方式，最終將使非易失性內存的可訪問數據量達到成百上千TB！

圖丨「The Machine」項目2016年底發布的原型機，系統晶元與內存間通過硅光電材料連接

更重要的是，慧與表示，它們已經開發出可以完全利用這海量內存的軟體工具了：不論是Facebook上所有的個人狀態、整個互聯網上的數據，還是全球每個人的醫療數據，該軟體都可以從巨量的數據中提取科學的分析結論。

慧與曾非常樂觀的表示，現有軟體工具和資料庫系統可將內存系統的性能提升300倍，而且這還不是最理想的狀態，最終的目標將會是8000倍。

圖丨據分析，金屬框內的綠色晶元就是慧與的X1硅光電連接晶元

慧與首席技術官 Mark Potter 甚至非常自信的認為，這個技術可以拯救全人類。他表示：「我們相信『基於存儲的計算架構』是一個可以讓科技推動全社會所有領域進步的技術。我們的架構可以用於一切計算領域，從智能終端到超級電腦！」

雖然事實可能離 Mark Potter 的夢想還差得比較遠，慧與的技術確實朝著百億億級計算踏出了重要的一步。但如果把慧與的技術與前文提到的建構百億億次級超算的三大難題進行權重評分，慧與的技術組合僅會獲得1.5分：即慧與在軟體、能耗，以及可擴展性方面確實做出了一些成績，但是離百億億次級計算能力還有很長的一段距離。

圖丨慧與「基於存儲的計算構架」的「The Machine」40晶元版，據觀察可能是通過光纖來連接晶元，其他細節還不得而知

與此同時，中國的趕超也一直都未停止，在美國政府對中國實施禁運Intel、Nvidia、以及AMD生產的可用於超級計算機的晶元之後，中國國家超級計算中心成功自主開發出一款專為超級計算而設計的260核的RISC（精簡指令集）晶元。這款5平方厘米大小的晶元集成了260個運算核心，共計數十億個晶體管，單晶元計算能力達到了3萬億次/秒，達到了當今世界先進水平，相當於2000年全球排名第一的超級計算機運算能力的3倍。

與中國相比，慧與顯然不具備獨立設計製造晶元的能力。它唯一能提供的就是其晶元對晶元通信的Gen-Z協議，然後把希望寄托在晶元廠商身上。

當然，目前只是第一輪經費申請，慧與只需要提供百億億級超級計算機相關的技術方案。只有在第二輪和第三輪經費申請時，慧與才需要設計和建造真正的超級計算機，這才是真正的挑戰所在。

圖丨慧與「基於存儲的計算構架」的「The Machine」40晶元版

如果一切按照計劃進行，Intel最新的 72 核 288 線程 Xeon Phi 很有可能就是美國超越中國所需要的那顆最關鍵的晶元。但是其 6400 美元的價簽，對於一台需要30萬顆CPU才能在理論上達到1 EFLOP（每秒10的18次方次計算）的超級計算機來說，將是一個天文數字。

圖丨Intel最新的72核288線程Xeon Phi處理器

目前的情況是，美國能源部絕大部分的百億億次級計算相關經費都花在了軟體開發上。在投資慧與之後，美國能源部又在PathFoward項目框架下對AMD、Cray、IBM、Intel、以及 Nvidia 進行了資助，承諾將在3年內提供2.58億美元的資金，同時也要求各公司承諾從自己的研究經費中劃撥至少 1.72 億美元用於超算相關研發。

很明顯，在對中國實施晶元禁運不奏效的情況下，美國政府想在超級計算機領域再度超越中國，已經不惜投入巨資，舉全產業之力，啟動一次大規模的聯合研發。

面對挑戰，中國的超級計算雖然前途看好，但守擂之路也不會十分坦蕩。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！