美國正在研發新一代「百億億次級」超級計算機以抗衡中國

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目前，來自中國的兩台超級計算機牢牢佔據著榜單的前兩位，這兩台超算的性能甚至超過了美國能源部（DOE）下屬的全部21台超級計算機的性能總和（DOE是目前全美超算領域中的最大投資者）。美國的超算研究人員當然不會安於現狀。

運算能力高達200PFLOPS的美國Summit超級計算機即將竣工，為美國下一代「百億億次級」超級計算機——「A21"打響了前哨戰。

1957年，前蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星「斯普特尼克1號」，宣告了自己在太空競賽中的領先地位。斯普特尼克1號的發射深深震撼了美國社會各界，激勵著國內的科研人員開始奮起直追。如今，美國超級計算機領域的研究人員也迎來了自己的「斯普特尼克」時刻，只不過這次的對手變成了中國。在領跑全球超算性能排行榜數十年之後，美國首次被其它國家迎頭趕上——目前，來自中國的兩台超級計算機牢牢佔據著榜單的前兩位，這兩台超算的性能甚至超過了美國能源部（DOE）下屬的全部21台超級計算機的性能總和（DOE是目前全美超算領域中的最大投資者）。

美國的超算研究人員當然不會安於現狀。在田納西州的橡樹嶺國家實驗室（同樣隸屬於DOE）中，工程師們正在緊鑼密鼓地進行Summit超級計算機的收尾工作。Summit將於2018年夏天正式投入使用，屆時，它的性能將達到200PFLOPS（即每秒鐘進行兩千萬億次浮點運算）這一數字是目前世界上最快的超級計算機——位於中國無錫的「神威-太湖之光」性能的兩倍。不僅如此，科學家們還將於近日在田納西州諾克斯維爾市齊聚一堂，共同商討美國下一代「超算巨獸」的具體構造。據悉，這台超級計算機的性能將達到1000PFLOPS，成為美國首台「百億億次級」（又稱「E級」，每秒鐘進行一百億億次浮點運算）超級計算機。這台超級計算機將部署於美國伊利諾斯州的阿貢國家實驗室，最快將於2021年投入使用——這比計劃中的時間要早兩年。美國南加州大學物理學家中野愛一郎（音譯）表示：「這真是一個激動人心的時刻。」超級計算機是中野的「左膀右臂」，在研究中，他往往使用超算來為石墨烯等材料的原子層疊結構進行數字建模。

位於阿貢實驗室的這台超級計算機（代號為「A21」）將由英特爾和美國著名超算製造商克雷公司聯手打造；從星系誕生到燃燒渦流，科學家能夠使用這台計算機模擬幾乎一切事物的動向。普林斯頓大學等離子體物理實驗室專家張尊碩（音譯）希望利用A21來模擬核聚變反應堆中的等離子體運動：「一旦有了百億億次級的運算能力，我們就可以在模擬中加入更多的物理參數，」他說。

儘管中國與日本十分有可能捷足先登，率先建成百億億次級超算，但是，A21的如期完工至少能夠確保美國不被甩開太遠。2017年秋天以來，美國明顯加快了超級計算機的研發計劃，這反映出DOE戰略方向的轉變。最初，DOE試圖通過「雙線並舉」的手段，克服百億億次級超算研發過程中的種種挑戰。其中，能耗是新一代超算所面臨的最大難題。據估計，百億億次級超算的功率可能高達數千兆瓦，只有專門建設一座小型核電站才能保障它的運行。

為此，DOE同時資助了兩台超級計算機的研發工作，以尋求能耗問題的解決之道，並為將來的百億億次級超算充當「探路石」。由IBM與英偉達共同研發的超級計算機Summit正是其中之一。兩家公司在Summit的架構中實現了CPU與GPU（圖像處理單元，更加擅長對複雜的可視化圖形進行模擬）的協同合作，從而有效地提升了運算效率。與此同時，英特爾與克雷公司則致力於將超級計算機中同時工作的CPU核心數量以及其間數據的傳輸速度提高到極致，Summit的姊妹機——位於阿貢實驗室的超級計算機Aurora（運算性能高達180PFLOPS）正是這一方案的產物。

讓我們把時鐘撥回三年前。2015年是計劃中超級計算機Aurora完工的年份，此時，DOE還在按部就班地規劃著將於2023年完工的百億億次級超算。然而，這一年中國的動向猶如平地一聲驚雷——按照最新的「十三五」計劃，中國將於2020年底之前建成第一台百億億次級超級計算機。這意味著美國將不再是僅僅「屈居」人後，而是會被中國遠遠地甩在身後。

加快步伐

2013年以來，全世界最強的超級計算機一直掌握在中國手中，Summit有望在2018年贏回為美國重新顏面。但是短短兩年後，百億億次級超級計算機就將成為中國的囊中之物。

「包括DOE與國家核安全局在內，美國社會各界都面臨著很大的壓力，」 張尊碩說。為此，DOE改變了原有計劃，Aurora搖身一變，變成了五倍於原有體積的龐然大物——A21，它投入運行的時間也由原定的2015年推遲到了2021年。不過，考慮到A21將成為美國首台百億億次級超級計算機，DOE得以提前兩年完成了計劃，這或許也算得上「因禍得福」。

科羅拉多大學博爾德分校航空工程師肯尼思·詹森認為，跳過計劃中Aurora的一環是「一著險棋」：「這意味著我們失去了本該擁有的一塊墊腳石，」他說。不過，也有人認為這樣的冒險值得一試：「這樣做無可厚非，」華盛頓大學計算化學專家托姆·鄧寧說。

出於對專利技術的保護，有關A21計算機架構的詳細資料仍然處於嚴格的保密狀態。但是，部分為其編寫軟體的科學家能夠在簽署保密協議後，掌握新架構的詳細情況。本周，諾克斯維爾將迎來第二屆百億億次級超算項目年會，針對A21架構的最初幾場報告會議將在年會期間舉行。

根據熟悉該項目研究人員的說法，A21與以往所有的超算都大為不同。「A21的架構十分獨特，」 張尊碩說。總體來看，A21架構的重點在於減少處理器之間進行長距離數據傳輸的消耗——這將是一個費時費力的優化過程。張尊碩表示，A21的功耗預計為25至30兆瓦，這一數字僅為Summit的兩倍。當談及英特爾能否順利推出這一架構時，張尊碩回答：「我對此充滿信心」。

資金問題將成為一個不容忽視的外部挑戰。目前，美國國會仍未通過2018財年預算，政府只能依靠一系列短期預算案維持運轉。而短期預算案要求政府將開支削減到與去年持平的水準，這意味著一系列新項目（A21超算也包含在內）將無法得到批准。目前來看，這一問題還不會對A21的研發構成威脅，因為DOE仍然能夠通過目前已有「百億億次級超算項目」為其提供支持。但是，A21生產製造很快就將提上日程。根據市場研究公司Hyperion Research的預測，組裝這台超級計算機所需晶元的總價將高達3至6億美元。「到了2021年，我們的預算還夠用嗎？」勞倫斯伯克利國家實驗室超級計算機專家、副主任霍斯特·西蒙提出了這樣的疑問。「現在，我們不得而知。」

編譯丨王燕處

選自丨Science

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