最強大腦：「神威·太湖之光」
北京時間6月20日，TOP500組織在法蘭克福世界超算大會（ISC）上發布了第47屆世界超級計算機500強。國家超級計算無錫中心運營的「神威·太湖之光」超級計算機系統登頂榜單之首，成為世界上首台運算速度超過十億億次的超級計算機。此前，由我國國防科學技術大學研製的「天河二號」已創下「六連冠」的輝煌戰績，這也標誌著我國超級計算機研製能力已位居世界先進水平。
本屆世界超算大會（ISC）上，「神威·太湖之光」勇奪TOP 500冠軍頭銜成為世界上最快的計算機，天河二號力挫強敵守住第二名，中國超算上榜數量首次超越美國，可謂是拿獎拿到手軟。
那麼，站在世界之巔的「神威·太湖之光」究竟「神」在哪裡？此次問鼎TOP500榜首對於我國超算領域發展又有怎樣的意義？我們特邀參與了本次世界超算大會（ISC）中科院計算所張雲泉研究員進行專題訪問。
圖1 「神威·太湖之光」問鼎TOP500榜首
關於TOP500的冷知識
本次中國超級計算機「神威·太湖之光」問鼎TOP500榜首，讓無數中國人熱血沸騰，相信很多人在激動的同時都會產生一個相同的問題，TOP500究竟是什麼鬼？難道是超級計算機屆的奧運會？
其實，國際TOP500組織是一個具有較長歷史的用於發布全球已安裝超級計算機系統排名的權威機構，以超級計算機基準程序Linpack測試值為序進行排名，每年發布兩次，其目的是促進國際超級計算機領域的交流和合作，促進超級計算機的推廣應用。張雲泉介紹說，TOP500世界超級計算機排行榜最早可由德國慕尼黑大學的漢斯教授在1993年發起，每年發布兩次，至今已有23年的歷史，剛剛落幕的法蘭克福世界超算大會（ISC）上已經是第47屆。
此外，TOP500排行榜的發布場合也是國際權威。TOP500組織每年發布兩次超級計算機排名情況，分別是在德國舉辦的世界超算大會（ISC）和在美國舉辦的世界超算大會（SC），代表著超級計算機的國際水平，同時也是各國超級計算機領域發展水平的標杆。
除了歷史悠久、發布場合權威，TOP500排行榜採取的評審標準也是業界公認的權威標準，也就是根據超級計算機基準程序Linpack測試值進行排序。張雲泉解釋說，Linpack現已經成為國際上最為流行的用於測試高性能計算機系統浮點性能的benchmark（基準點）。通過超級計算機求解N元一次稠密線性代數方程組的測試，從而評價高性能計算機的浮點性能。這也是一個公開客觀的評審標準，其評審結果是得到業界廣泛認可的。
如果說奧運會是人類挑戰生理極限的平台，那麼世界超算大會（ISC）則是人類藉助計算機挑戰運算極限的陣地。所以，「神威·太湖之光」問鼎TOP500榜首也是對於中國超級計算機領域發展成果的肯定，讓中國製造再次登上了國際舞台。
圖2 TOP500組織標誌
三招「必殺技」：中國超算顯神威
超級計算機新科世界冠軍——「神威·太湖之光」位於江蘇省國家超級計算無錫中心，它是一套非常宏大的計算機系統，由四十餘個高度集成的機櫃組成，是名副其實的「最強大腦」。那麼，作為世界上最快的超級計算機，「神威·太湖之光」一舉拿下TOP500冠軍的過人之處有哪些？張雲泉為我們進行了解讀，「必殺技能」有三招。
第一招——速度較量，唯快不破。張雲泉表示，「神威·太湖之光」的峰值運算速度已經達到了每秒12.54億億次，其一分鐘的計算能力相當於全球72億人口同時用計算器連續不間斷計算32年，這是全球第一台運行速度超過10億億次/秒的超級計算機。同時，其持續計算速度達到了每秒9.3億億次，是此前的世界冠軍「天河二號」的3倍，是目前世界上持續計算能力最強的超級計算機。在超級計算機基準程序Linpack測試中，「神威·太湖之光」僅用4小時就完成了「天河二號」20多個小時才能完成的運算任務。也就是說，「神威·太湖之光」的運算速度和計算能力都「完勝」此前的「天河二號」，這個世界冠軍實至名歸。
圖3 「神威·太湖之光」性能參數
第二招——最強大腦，中國芯。「神威·太湖之光」之所以擁有世界最快運行速度，當然還要歸功於其強大的硬體支持。張雲泉介紹說，超級計算機主要是依靠提高並行度和設備的規模來提升計算速度，「神威·太湖之光」擁有超過1000萬個處理器核，遠遠超過天河二號的300多萬個，從而極大地提升了其運算規模和並行度。更加令人振奮的是，「神威·太湖之光」是首次完全用「中國芯」製造的中國最強大的超級計算機，此前「天河二號」使用的是英特爾至強處理器和Xeon Phi協處理器。作為「最強大腦」的「中國芯」，「申威26010」眾核處理器這個只有5厘米見方的小小薄塊，它集成了260個運算核心，數十億晶體管，達到了每秒3萬多億次計算能力，單晶元計算能力相當於3台2000年全球排名第一的超級計算機。40960個「中國芯」同時工作，讓「神威·太湖之光」登上了世界計算巔峰。
圖4 申威26010眾核處理器
第三招——綠色節能，又快又省。「神威·太湖之光」的功耗比達到了每瓦60.51億次，在運行速度和持續計算能力均大幅提升的同時，其功耗不升反降，成為世界上計算能力最強但是最綠色環保的超級計算機。張雲泉表示，以前TOP500的超級計算機，其功耗都比較大，而「神威·太湖之光」的持續性能和功耗比兩項均屬世界排名第一，並且遠遠地大幅領先其他超級計算機，這也體現出我國在超級計算機研製領域，不單單追求以「快」取勝，並且在自主可控、持續性能和綠色指標等綜合性能方面都取得了突破性的進展，並且達到了新的高度。
超算用途廣：比名次更重要的是造福人類
人類在體育競技中，挑戰生理極限的同時，更多的是獲得精神上的激勵與鼓舞，而作為超級計算機領域的「奧運會」，登頂TOP500榜首不是最終目的，造福人類才是「神威·太湖之光」的終極使命。
超級計算機在能源、航天、生物製藥等領域已經有了豐富而卓有成效的應用，截至目前，國家超級計算無錫中心已經承接了國內30多個重大應用項目。其中，清華大學地球系統科學研究中心在「神威太湖之光」計算機系統上首次實現了百萬核規模、高解析度的地球系統數值模擬。截至目前，國家超級計算無錫中心已經承接了國內30多個重大應用項目。其中，清華大學地球系統科學研究中心在「神威太湖之光」計算機系統上首次實現了百萬核規模、高解析度的地球系統數值模擬。
張雲泉還介紹說，2016年度戈登貝爾獎來自全球的6個提名中，「神威太湖之光」就佔了3個，分別涉及大氣、海洋、材料三個領域的應用。而戈登貝爾獎作為計算機高性能應用領域的最高榮譽，一直有超算領域的諾貝爾獎之稱，「神威·太湖之光」的出現有望實現我國在這個獎項上零的突破。
圖5 中科院計算所張雲泉研究員
超級計算機，被稱為「國之重器」，超級計算屬於戰略高技術領域，是世界各國競相角逐的科技制高點，也是一個國家科技實力的重要標誌之一。自我國863計劃實施以來，國家高度重視並且支持超級計算系統的研發，但由於基礎薄弱起步較晚，在國際舞台中一直受制於人，美國更是在2015年宣布對我國禁售高性能處理器。而「中國芯」「申威26010」的問世，也成為我國自主研發打破30年技術封鎖的一柄利器。「神威·太湖之光」勇奪榜首，可以說為我國超級計算機領域的發展打了一劑強心針。
出品：科普中國
製作：中國科學院計算技術研究所 張雲泉
幻彩寶寶科普創新公社武瑞雪
監製：中國科學院計算機網路信息中心
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