最快的计算机有多快? "神威"每秒运算12.5亿亿次

出品| 网易新闻学院

作者| 李会超，中科院国家空间科学中心博士研究生

上世纪60年代，中国的航天科技人员为第一颗人造卫星早日上天而日夜奋战时，一个重要的任务是计算卫星在太空中运行的轨道。当时所能使用的还是功能和效率都十分落后、需要手工操作的半自动手摇式计算机，计算员们24小时不间断地、像工厂里的工人一样实行三班倒，才终于算出了东方红一号的轨道数据，计算任务实在紧迫时，甚至动用了算盘。

而如今面对航天任务中庞大的计算量，航天科技工作者们不再发愁，因为他们已经可以动用全世界运算速度最快的超级计算机——神威·太湖之光。

（一）没有超级计算机，航天工作的计算量足够全国人民算两三个月

如今的航天任务，在计算量上可是比东方红一号那会儿增加了不止一点半点，比如去年天宫一号功能失效，轨道开始下降时，需要提前了解它进入大气层之后的受力情况，以预测是否可能在坠落时对地面造成伤害。要在有限的时间里完成计算任务，需要一台每秒能进行亿亿次（10000000000000000次）加减乘除运算的超级计算机。

倘若我们的计算技术还停留在手工计算的那个年代，这将是一个不可能完成的任务，即便动员全国人民一起帮航天部门搞计算，每人每秒完成一次运算，计算任务要求在1秒内完成的运算量，也足够全国人民算上两三个月。

（由神威·太湖之光计算的天宫1号再入大气层时与大气相互作用的情况）

（二）没有中国芯，中国超级计算机再强也将受制于人

在超级计算机界，每隔一段时间就要筛选出全世界计算能力最强的500台超级计算机，发布到一个被称为TOP500的排行榜中。排行的依据和测试手机时使用跑分软件的方法类似：参与测试的系统要运行一个被称作LINPACK的软件包，求解一个规模巨大的线性方程，来测试这个系统在每秒钟之内到底能完成多少个加减乘除的浮点运算。

在2001年前，TOP500中没有一台中国超算，而仅仅9年之后，部署在天津的天河1号A超级计算机以每秒0.2566亿亿次/秒的实测浮点运算能力夺得TOP500第一的宝座。2013年，部署在广州的天河2号以3.386亿亿次/秒的实测浮点性能，让中国超算重回TOP500第一的位置。

天河1A和天河2号虽然性能强大，但其使用的核心部件CPU及数学加速卡却是采购自美国公司。2015年4月，当天河2号准备采购新一批CPU和加速卡对系统进行升级时，美国商务部却拒绝了Intel公司的出口申请，同时还将天津、广州、长沙三个中国国家超算中心和国防科技大学列入了禁运机构的名单。事实上，中国超算的迅猛发展让美国人倍感压力。

（美国商务部禁止向中国四个单位出口高性能计算原件的文件摘录）

然而，美国人的禁运并没有挡住中国超算继续发展的脚步。在2016年7月的TOP500大会上，由中国国家并行计算机工程技术研究中心研制、中国国家超级计算无锡中心运行的神威·太湖之光超级计算机以理论浮点性能12.5亿亿次每秒、实测浮点性能9.3亿亿次每秒的成绩登顶TOP500榜首。

有趣的是，本次TOP500第一的竞争是一场“中国德比”，被挤下冠军宝座的是中国的天河二号。从性能参数上看，神威·太湖之光的运算速度是天河二号的三倍左右，同时运算效率比天河二号更高、功耗比天河二号更小。最重要的是，神威·太湖之光使用的是完全由中国自行设计、制造的申威26010处理器。中国超算的发展从此不再受制于人。

（外型土气、功能强大的申威26010处理器）

（三）申威26010处理器是如何工作的？

申威26010处理器采用了异构计算这个当下超级计算领域的前沿技术，通过并不十分高的频率和功耗实现了强悍的运算能力。

1、采用异构计算提高超算运算性能

与同构计算只使用一种处理器不同，申威处理器采取了异构计算的新模式。异构计算是一种并行和分布式计算，在运算中，异构计算既使用处理器，又使用GPU或众核芯片等协处理器。这既提高了工作效率，还能更紧凑地使用空间。

2、众核处理器解决“通信墙”和“存储器墙”问题

在以往使用异构计算的超级计算机中，通用CPU与个人电脑中的CPU基本相同，它除了要承担运算任务外，还要承担计算机系统的控制任务。而协处理器专门进行数学运算。

随着摩尔定律逐步接近极限，提高通用CPU的性能变得越来越困难，超级计算机需要协处理器来提高自己的运算性能。然而在这种通用CPU+协处理器的组合中，协处理器都要安装在PCI-E总线上，访问计算机主内存的带宽较低，限制了协处理器性能的发挥。

而申威26010处理器则将运算控制核心和专门进行数学运算的核心融合到了同一块芯片中。一块申威CPU由4个运算核组构成，每个运算核组中有一个运算控制核心和64个数学运算核心。这样，一块CPU中就有了4个运算控制核心和256个数学运算核心。它们可以在一片CPU内高效协同工作，也可以直接访问内存，而不用通过拥塞的PCI-E总线来回倒腾数据。用专业术语来说，就是解决了众核处理器“通信墙”和“存储器墙”的问题。

如果单看运行频率，1.45GHz的申威20160看起来像是已经过时的产品，但由于有着高达260个核心，单片CPU在1秒内能够实际完成的浮点运算量为3万亿次。而天河2号使用、被美国禁运的Inter Xeon E5 2692处理器和Intel Phi加速器，1秒内能完成的浮点运算量仅为0.21万亿次和1.003万亿次，远不及申威26010。

（神威·太湖之光的运算节点板）

3、40960块CPU层层堆叠，造超级计算机就像搭积木

从一片申威26010到整台神威·太湖之光的过程，有点像搭积木。

每个运算节点板安装了2块申威26010处理器，4个运算节点板组成一个运算插线板，这个插线板的外观看起来就像是商用的刀片服务器。32个计算插线板组成一个计算超节点。而我们在新闻中看到神威超算时常见的那些大柜子，是超算的计算机舱，总共部署了40个，每个机舱里安装有4个超节点。

在这样层层的堆叠下，申威·太湖之光共有40960块CPU。神威·太湖之光12.5亿亿次的理论浮点性能，就来自于这40960块CPU的浮点运算能力的叠加，即3万亿次×40960≈12.5亿亿次。

（超神威·太湖之光的超节点）

4、要拥有性能强大的超算，互联网络、散热一个都不能少

看起来，解决了CPU的问题后，设计、制造一台超算好像并不是一件复杂的事情，似乎只要有足够多经费买来足够多的机器，再拉上网线，就可以开心的去拿世界第一了。然而事情远远没有这么简单。

首先，这40960块CPU所在的运算节点，每个都相当于一台独立的计算机，当它们一起工作时，需要不断的传输、交换交换数据，来共同完成运算任务。

如果用我们日常使用的百兆或千兆以太网，数据传输的速度将成为计算进行的瓶颈，也许CPU花1秒完成计算任务后，要花10秒钟的时间等待数据交换。因此，部署一台超级计算机时，首先要研发出高带宽、低延迟的互联网络。神威使用的节点间网络，双向带宽可达16GB/s（注意是GB/S而不是Gbps），如果使用这样的带宽来传输电影，1秒钟就可以将一部高清电影传输完毕。

此外，超算的电子元件在工作时有很大的发热。在机器密集的超算机柜中，必须采取有效的方式将热量及时带走，才能保证超算连续稳定工作。

（神威·太湖之光在空间上的布置。两侧为运算机舱，中间为网络交换系统。）

神威使用的全机水冷技术，不但比传统能更有效的带走热量，还能减少用于散热系统的电能消耗。同时，超算这个庞大的系统在 运行时，需要同时调度大量用户不同资源需求的作业，也需要及时发现、处理系统中存在故障的节点，保持整个系统的持续运行。为此，神威还配套研发了相应的维护诊断系统和任务调度系统。

（四）超级计算机的应用与生活息息相关

（近日发行的《科技创新》纪念邮票，其中一张就是神威·太湖之光超级计算机）

在神威·太湖之光荣登超级计算机TOP500榜首，证实了其硬件实力后。通过神威·太湖之光运行实现的“千万核可扩展全球大气非静力方程全隐式求解器”斩获高性能计算界的最高荣誉“戈登·贝尔”奖。这个名字冗长的应用，功能其实与我们的生活息息相关。通过这方面应用的研究，我们可以在时间和空间上更加精确地预报天气。在未来，我们甚至可以通过这个应用的计算结果，精准的得到“我的写字楼在下班的时候雨有多大”这类问题的答案，而不用像目前一样靠气象台有些模糊的天气预报进行猜测。

在这个应用获奖的同时，还有“高分辨率海浪模式”、”钛合金结构演化相场模拟“获得了戈登·贝尔奖的提名。

高分辨率海浪模式可以实现全球范围内1公里分辨率的海浪模拟，提升中国应对极端气候和自然灾害的减灾防灾能力。中国海军的舰艇在全球范围内航行时，都可以通过这个模式的数据提前获知目标海域的情况。”钛合金结构演化相场模拟“，则可以在几小时的时间内完成一次数千亿体系的合金微结构粗话过程的高精度模拟，为设计新材料提供支持。

除了以上者几项应用外，神威超强的运算能力还有许许多多用武之处。它可以帮助中国的科学家们更好的设计研发可控核聚变反应堆，为今后能用上清洁的核聚变能源提供支持；它可以帮助新药物的设计者在几分钟的时间内完成对数百万个化合物分子的筛选，从而让我们更好更快的设计出新药物；它可以帮助风电场的调度人员更好的调控风资源的使用，为清洁能源贡献力量；它还有望在高铁、大飞机的气动外形设计中发挥作用，让这些交通工具跑的更快，耗能更少……

结语

如果把普通计算机的运算速度比做成人的走路速度，那么超级计算机就达到了火箭的速度，在这样的运算速度下，人们可以通过数值模拟来预测和解释以前无法验证的自然现象。

神威·太湖之光的运算能力已经相当惊人，而运算能力比它高十倍的天河3号目前正在研制之中，这台同样使用国产CPU的超级计算机将会被部署在国家超级计算天津中心，继续那里的天河1A曾经创造过的辉煌，中国超算能否在百亿亿次超算的竞争中继续保持领先，让我们拭目以待！

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　　编辑| 史文慧