­　　在天津舉行的第二屆世界智能大會(huì)上，國(guó)家超算天津中心對(duì)外展示了我國(guó)新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河三號(hào)”原型機(jī)，這也是該原型機(jī)首次正式對(duì)外亮相。百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)也稱“Ｅ級(jí)超算”，被全世界公認(rèn)為“超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠”，它將在解決人類共同面臨的能源危機(jī)、污染和氣候變化等重大問(wèn)題上發(fā)揮巨大作用。

­　　我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)主要有銀河系列、天河系列、曙光系列、神威系列等，目前計(jì)算性能最強(qiáng)的當(dāng)屬已多次蟬聯(lián)國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)（ISC，International Supercomputing Conference）Top500榜單的“神威·太湖之光”。

­　　據(jù)悉，“神威·太湖之光”安裝了40960個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為每秒12.5億億次，持續(xù)性能為每秒9.3億億次。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這套系統(tǒng)1分鐘的計(jì)算能力，相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年，如果用2017年生產(chǎn)的筆記本電腦或個(gè)人臺(tái)式機(jī)主流配置作參照，神威·太湖之光相當(dāng)于200多萬(wàn)臺(tái)普通電腦。

­　　這里用來(lái)衡量超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)是“運(yùn)算速度”，即計(jì)算機(jī)每秒鐘能進(jìn)行的運(yùn)算次數(shù)。最初以執(zhí)行加法運(yùn)算的次數(shù)來(lái)表示，后以執(zhí)行加法、乘法、除法等的平均運(yùn)算速度來(lái)表示。現(xiàn)今，通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度（平均運(yùn)算速度），是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)（ips，Instruction Per Second）。計(jì)算機(jī)每秒鐘能夠執(zhí)行450百萬(wàn)條指令，也可以描述為計(jì)算機(jī)的主頻是450MHz。

­　　超級(jí)計(jì)算機(jī)相對(duì)于我們的個(gè)人計(jì)算機(jī)而言，它可以進(jìn)行極高速度的運(yùn)算和巨大量的數(shù)據(jù)處理，其基本組成與個(gè)人計(jì)算機(jī)沒(méi)有本質(zhì)差別，都是自下而上由硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成，但規(guī)格上大了許多倍，特點(diǎn)是高速度和大容量。由此，不少人認(rèn)為，構(gòu)建超級(jí)計(jì)算機(jī)就是在做芯片處理的加法，加在一起的處理器（CPU）越多，計(jì)算速度也就越快。甚至在2010年國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)（SC2010）會(huì)議上，還有超級(jí)計(jì)算機(jī)供應(yīng)商的高管開(kāi)玩笑說(shuō)：“將100,000臺(tái)Android智能手機(jī)連起來(lái)，就能創(chuàng)造最快的計(jì)算速度。”事實(shí)并非如此。打個(gè)比方，三人共同協(xié)作完成任務(wù)，除去正常開(kāi)展任務(wù)工作外，還需要耗費(fèi)人力進(jìn)行任務(wù)分解、任務(wù)分配、結(jié)果歸總等管理工作。管理工作不科學(xué)，總體工作效率會(huì)大幅降低。也就是說(shuō)，理論上，在單個(gè)CPU性能相當(dāng)?shù)那闆r下，超級(jí)計(jì)算機(jī)采用越多的CPU，其運(yùn)算速度越快。但實(shí)際情況并不是1+1=2，超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，如果并行不合理，每個(gè)CPU的效能就不會(huì)充分發(fā)揮出來(lái)。

­　　并行計(jì)算是超級(jí)計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)

­　　并行計(jì)算（Parallel Computing）是指同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問(wèn)題的過(guò)程，是提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算速度和處理能力的一種有效手段。它的基本思想是用多個(gè)處理器來(lái)協(xié)同求解同一問(wèn)題，即將被求解的問(wèn)題分解成若干個(gè)部分，各部分均由一個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)來(lái)并行計(jì)算。并行計(jì)算的目的是為了加快求解速度，擴(kuò)大求解規(guī)模。主要方法步驟有：數(shù)據(jù)劃分（把數(shù)據(jù)集劃分為多個(gè)子集）、任務(wù)分解（將一個(gè)應(yīng)用分解成多個(gè)子任務(wù)）、處理器指派（把數(shù)據(jù)子集和任務(wù)分配給不同的處理器）、協(xié)作執(zhí)行（各個(gè)處理器之間相互協(xié)同并行地執(zhí)行子任務(wù)）等。美國(guó)國(guó)家工程院院士、NVIDIA公司首席科學(xué)家兼副總裁、斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系Bill Dally教授曾說(shuō)過(guò)，“在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，performance=parallelism”。

­　　異構(gòu)計(jì)算是超級(jí)計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)

­　　同構(gòu)計(jì)算是指使用相同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式，而指使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式稱為異構(gòu)計(jì)算。不同種類的處理器都有適合其處理的任務(wù)類型，比如CPU適合做串行，邏輯復(fù)雜度高的任務(wù)；GPU（Graphics Processing Unit圖形處理器，主要用于圖形處理和矩陣運(yùn)算等）適合做簡(jiǎn)單，并行度高的任務(wù)；TPU（Tensor Processing Unit張量處理單元，為機(jī)器學(xué)習(xí)而定制的芯片，主要用于人工智能領(lǐng)域）是一款推理芯片，是為機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用特別開(kāi)發(fā)，適用于深度學(xué)習(xí)中基于云端數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)處理階段，采用整數(shù)和矩陣運(yùn)算，犧牲了精確度，換取更快的速度和更低的能耗。異構(gòu)計(jì)算使用不同類型的處理器來(lái)處理不同類型的任務(wù)，正所謂術(shù)業(yè)有專攻。 目前主流的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)是“CPU+GPU”，其中我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)天河一號(hào)是國(guó)際上首臺(tái)采用CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

­　　計(jì)算性能并非超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的終極目標(biāo)或唯一目標(biāo)

­　　除了數(shù)值計(jì)算，圖表（通過(guò)節(jié)點(diǎn)和分支表示數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性）解析計(jì)算在社交網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全、金融交易等領(lǐng)用應(yīng)用越來(lái)越廣泛。以圖表解析性能為指標(biāo)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Graph500”排行榜在2010年應(yīng)運(yùn)而生。Top500側(cè)重于絕對(duì)速度的排名，而Graph500則更側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，代表著超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)大數(shù)據(jù)的吞吐和處理能力。除了Top500和Graph500，在超算領(lǐng)域還有一個(gè)評(píng)價(jià)效能的榜單的Green500，這個(gè)榜單更關(guān)注單位能量下的運(yùn)算能力，目的是看看哪些超級(jí)計(jì)算機(jī)“最劃算”。從2017年的Green500榜單來(lái)看，前五名與中國(guó)無(wú)緣，“神威-太湖之光”以能效使用率6.051 GFloat/watts排在17位。“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已近在100名以外了，以2.078GFloat/watts排在117位。

­　　中科院計(jì)算所孫凝暉研究員說(shuō)，雖然運(yùn)算速度已經(jīng)走到世界前列，但這并不代表整體技術(shù)水平也走進(jìn)世界前列。“天河二號(hào)”副總設(shè)計(jì)師胡慶豐說(shuō)，“與發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)相比，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)在核心電子器件、高端通用芯片和基礎(chǔ)軟件，以及大型行業(yè)應(yīng)用軟件等方面存在明顯差距。中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)主要用戶是ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商Internet Service Provider），而美國(guó)的情況截然不同，它的超級(jí)計(jì)算機(jī)用戶分布非常廣泛，有能源，汽車，ISP，地理科學(xué)，核武器研究實(shí)驗(yàn)室等等。用戶的分布單一、民用化和商業(yè)化不足是天河系列和整個(gè)中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)行業(yè)都存在的問(wèn)題。

­　　超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，計(jì)算性能提升領(lǐng)先固然是好事，但更為重要的是，能不能使用這些超算系統(tǒng)研發(fā)商業(yè)化民用應(yīng)用平臺(tái)，為社會(huì)公眾、百姓生活帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的改變。中國(guó)超算，加油！（作者：紫色蒲公英（筆名） 橘子科普?qǐng)F(tuán)隊(duì) 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所副研究員）