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中国太湖之光VS美国Summit 超算和我们有关吗?

导读: 很多人想当然认为超级计算机计算得那么快,比个人电脑快成千上万倍?是因为超算用了一个比个人电脑的芯片快成千上万倍的芯片。其实不是这样的,世界上没有这样的芯片。

2018年6月8日,美国能源部橡树岭国家实验室宣布,造出了目前世界上最快的超级计算机,叫“Summit”(顶点)。顶点的出现取代了之前排在超算500强排行榜首位的中国的神威太湖之光。

估计很多人和之前的小编一样,看到这样的新闻和排名“无感”,首先觉得超算离我们的生活太遥远,太过高大上。其次觉得这个排名有那么重要吗?就算中国排名第一了,又能改变什么呢?能改变中国芯片落后的现实吗?

超算“超”在哪里?

很多人想当然认为超级计算机计算得那么快,比个人电脑快成千上万倍?是因为超算用了一个比个人电脑的芯片快成千上万倍的芯片。其实不是这样的,世界上没有这样的芯片。

实际的办法是,超算用了很多个芯片,让它们同时执行任务,而单个芯片的性能跟个人电脑的芯片是差不多的。用科学术语来说,这叫做“并行计算”,这是高性能计算的基本思路。

那是不是用了n个芯片,计算速度就是单个芯片的n倍吗?当然不是。实际上,要让多个芯片同时干事,就必须首先给它们划分好任务,这个任务划分是要消耗时间的。然后,当各个芯片开始计算之后,还不时地要和其他芯片交换数据,这个数据通信也是要消耗时间的。因此,计算速度的增长,总是低于芯片数的增长。超算的速度与单个芯片速度的比值,称为加速比,加速比总是低于芯片数的。

当芯片很多的时候,任务划分和数据通信会变成瓶颈因素,这些负担的增加会抵消芯片增加的好处,因此加速比会达到饱和,不再上升。由此可见,芯片并不是越多越好的,一台超算能够容纳下多少芯片,并不是取决于有多少钱能用来买芯片,而是取决于系统架构。所以,芯片和超算架构都是核心技术!值得一提的是,神威太湖之光用的芯片是中国自己生产的“申威26010”众核处理器,该众核处理器采用64位自主申威指令系统。

超算有什么用?

超算既然这么厉害,那它到底有什么用?和我们的生活有什么联系?

超算的用途非常广泛,因为现在有太多的领域可以用计算来模拟了。例如空气动力学,这对飞机和汽车的设计都是非常基本的。大家知道飞机和汽车需要吹风洞,超算模拟就相当于吹一个数值的风洞。又如气象预测,你想知道飓风的移动轨迹吗?超算告诉你。又如宇宙的演化,你想知道银河系是怎么变成现在这个样子的,以后会变成什么样吗?超算告诉你。有一个专业领域叫做理论与计算化学,这个学科的主要内容就是用计算来预测分子的结构、材料的性质,那么超算的用处就更是一目了然了!

在超算业界,有一个最高级的奖项叫做戈登·贝尔奖(GordonBellPrize),是授予最杰出的高性能计算应用的,每年颁发一次。理所当然地,获得戈登·贝尔奖的应用,一般都是在最快的超算上运行的。2016年和2017年,中国连续两次获得这个戈登·贝尔奖,获奖的应用分别叫做“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”和“非线性地震模拟”,它们用的都是神威太湖之光。

如何看待太湖之光和Summit(顶点)

超级计算机“顶点”由一排排电冰箱大小的黑色模块单元构成,总重340吨。这台计算机是由IBM总包设计建设,采用了9216颗IBM Power9处理器和27648颗Nvidia Volta的GPU加速器,是第一台基于AI打造的超级计算机。“顶点”浮点运算速度峰值达每秒20亿亿次(200PFlops),性能超过中国“神威·太湖之光”(浮点运算峰值每秒12.5亿亿次)约60%。

现在,超级计算机竞赛正朝着下一个里程碑进行: exascale计算(百万兆级的计算)。在中国和美国之间的技术领先地位的日益激烈竞争中,达到“百万兆级”里程碑是相互间较量的一部分。为了提高超级计算机的性能,世界各地的研究百万兆级计算机操作系统的工程师都在使用并行机制,这需要工程师们将成千上万的芯片封装到数百万个被称为“核心”的处理单元中。要想让这些计划都变成现实,需要耗费大量时间来做实验。

事实上,美国这次夺冠,对于业内人士来说丝毫不意外,因为这些研究项目都是公开的,几年以前大家就都知道了。中国也正在发展下一代的超算,如果顺利的话,可能在不久之后又会重回第一的位置,并且把超算速度从现在的每秒十亿亿次提高到百亿亿次的量级。每秒计算百亿亿次的超算,称为E级超算,是现在全世界攻关的下一级台阶。

超算这么有技术含量、又这么有用的技术,那么无论哪个国家取得进步,对全人类来说都是好事,都是值得肯定的。

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