最新「全球超算500強」今宣布：美國時隔五年重奪榜首，中國位列第二！
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就在剛才，美國超算確認登頂世界第一。
北京時間 6 月 25 日下午 15:00 左右，在德國法蘭克福召開的全球超算大會（ISC2018）公布了「超級計算機500強」（TOP500）最新榜單，其中，美國超算「Summit」排名第一，中國超算「神威·太湖之光」位列第二，第三名則是來自美國的「Sierra」。
在上一屆的榜單中，中國超算「神威·太湖之光」和「天河 2 號」分別位列 TOP500 第一、第二，美國的超算「Titan」則名列第五，也是 20 年來美國首次跌出該榜單的前三名。而這一次，美國重回全球超算霸主地位。
圖丨最新全球超算 TOP 500 榜單前 10 名
圖丨上一屆全球超算 TOP 500 榜單前 10 名
但除了中美以外，日本和其他國家也都積極推動超算的發展，日本最近公布的新版 Kyu 超算架構，基於 Arm 架構，其理論性能遠超太湖之光，甚至能輕鬆壓制美國的 Summit 超算，不過該架構仍在測試階段，還未量產，最快也要 2018 下半年才有機會挑戰 Top 500。
現在問題來了，各國在超算領域激烈競爭到底有什麼意義呢? 答案是超算非常實用，但對大國來說，擁有超算帶來的軟實力、象徵意義也很重要。
就實用範圍而言，超算就是什麼都能算，不只能夜觀天象，揭開宇宙的奧秘，還能把天有不測的風雲抓出規律，告訴我們明天出門要不要帶傘；而在基礎產業推動方面，比如說材料的合成、礦產的探勘，超算扮演著極為重要的地位，美國從石油輸入國轉而成為產出國部分也是超算之助；超算甚至能代替神算出生命的奧秘，解析那些藏在我們身體裡面的最神秘的法則，或者是組合出全新的生命型態；超算幫助我們研發新葯，代替神農嘗百草；流行的社群網路分析，從大的社會風向，到小的個人人格特徵定位也是超算在行的工作；面對金融體系的科技化，網路化，以及區塊鏈化，這些都需要龐大的算力在背後推動；另外，軍事與武器研發更需要超算之助。
而就象徵意義而言，因為算力對於人類社會的影響越來越深，擁有足夠的算力，不只代表對整體社會的發展脈絡更能有效控制，讓國家能夠更有效率的管理與發展，讓人民更幸福，同時，算力也代表了國家所能投入的資源及技術力，某種程度上也等同於國力的展現，而這也是各國每年都拼盡全力一較算力高低的原因之一。
Top 500 名單的更新，美國重回算例榜首，但明顯損失份額
而每年固定時間都會公布排名的全球超算 Top 500 名單也已經公布，從名單中可以看出，美國的 Summit 架構已經確定成為今年上半年 Top 500 超算的榜首，但與此同時，中國超算的份額又再度增加，較去年底的比重增加了 0.8%，達到 41.2%，美國則是再度衰退，僅剩 24.8%。
圖｜雖然美國奪回超算榜首，但中國超算占 Top 500 比重達歷史新高
除了榜首的 Summit 超算以外，第三名的 Sierra 超算使用的是與 Summit 類似的 Power 架構+NVIDIA GPU，相較第二名的太湖之光，僅用了不到 1 成的核心就能輸出其 8 成的計算性能，明顯是走高能效路線。另外，日本超算幾乎清一色使用英特爾的平台搭配 GPU 或 Xeon Phi 輔助加速器，自有架構可能要等待年底才會現身。
能耗是另一個值得關注的重點，Green 500 名單亦有重要意義
日本仍毫不意外的佔據了 Green 500 前 10 大的絕對多數，排名第一的 Shoubu System B 的能效表現已經達到每瓦 18.4G Flops，創下了歷史新高。
另外，由於 Summit 超算使用基於 14nm 工藝的 Power 架構加上基於 12nm 的NVIDIA GPU，在每瓦能效表現方面要明顯比使用 28nm 工藝晶元的太湖之光更有優勢，才用類似架構的第 3 名超算架構也有類似的能效表現。
CPU 仍是超算主角，GPU滲透率雖持續增加但挑戰仍大
過去很長一段時間，超算主要架構是以 RISC 晶元為主，而後轉往 X86，但隨著深度學習等 AI 計算的需求增加，GPU 在超算架構中所佔的份量越來越吃重，去年底公布的 Top 500 超算中就有將近 90 款超算平台使用 GPU 來進行加速，這些超算架構也都屬於性能領先群。
雖然 GPU 或其他計算加速架構的引入越來越多，但是純 CPU 的超算架構仍占將近 8 成，而各國在 CPU 架構的推陳出新，也證明了這個傳統架構在超算領域仍然還有很大的發揮空間，不僅效能不輸給 GPU 加速，甚至能耗表現也能有一流的表現。
圖｜在 Top 500 排名中已經有超過98款超算採用 NVIDIA 的 GPU 架構，較 2017 年底的 87 款增加了 11 款。
雖然 GPU 已經在很多計算領域證明了自己的價值，但是在超算平台上，CPU 仍是絕對主流的架構，佔了將近 8 成。不只是英特爾的 X86 CPU，MIPS、Arm，甚至是 Power 架構等傳統 RISC 架構，以及中國自有的申威核心，都證明面對超算環境，也能輸出不下於 GPU 的性能，當然，應用到超算中的 CPU 架構已經不是純粹的 CPU，更多包含了許多輔助的數學計算核心，甚至英特爾才剛推出的神經網路處理器就整合了 FPGA 架構，這些架構也都證明了自己的效能和效率都不下於 GPU，雖然 NVIDIA 的 GPU 架構在伺服器當中擁有崇高的地位，但是在超算領域仍是挑戰者。
神威·太湖之光將退役架構改造成一流超算架構
中國的神威?太湖之光，採用了純 CPU 計算架構的組合，不使用英特爾的處理晶元，也不使用目前火熱的 GPU 計算架構，但其達到的算力卻超越除了 Summit 超算以外的其他架構的組合，不過在能耗方面略顯弱勢。
太湖之光所使用的申威 26010 在單一晶元中整合了超過 260 個核心，在整個超算系統中使用了 40960 顆晶元，核心數量高達 10649600 個，單純就數量而言，比上次排名第 4 的日本曉光 (Gyoukou) 超算少，但持續輸出性能遠遠超過同為中國產的超算平台第 2 名天河二將近 3 倍之多，更是日本曉光超算性能的 4 倍。
圖｜申威架構雖非原創，但在研究人員的巧手下化身中國自有高效能超算核心
申威 26010 處理器架構來源是出自於已經退出市場的 DEC Alpha 微架構，不過在經過研發人員的徹底改造之後，轉而變成類似 IBM Power 微架構的晶元，成為針對大規模平行計算環境優化的高效率計算架構，單晶元 260 個核心同時運作的功耗只有 15.371 W。雖然其技術出處並非原創，但是在超算這種大規模計算環境中得以凸顯其優勢，甚至超越了以英特爾與 NVIDIA 為主流組合的眾多超算架構。
但是申威 26010 架構因為過於特化，其單核心的效率非常低，甚至比英特爾的 Atom 和主流 Arm 架構還要低，也不適合用在主流的一般消費性計算上。其優勢在於強大的互聯與協同工作能力，突破過去超算架構在計算晶元數量達到一定程度時，計算效能的增長就會逐步降低的傳統天險。
不過申威架構在太湖之中也不是完全沒有後顧之憂。目前太湖之光使用的光纖互聯技術還是來自美國，而且是屬於上一代的技術，雖然能在中國超算中發揚光大，但也代表這方面的技術還是受制於人。
MIPS 與 Arm 助力日本主打最高能效比的自有架構
從 2017 年底的 Top 500 的排名當中，我們可以看到日本的超算架構雖然性能不是最優，但是在能耗方面，前 10 大能耗比最高的超算平台中，日本就佔了 7 個，而今年 Top 500 性能排第 359 名的 Shoubu System B，在能耗排名中也高達第 1 名，相較之下，太湖之光雖然性能第 2，但能耗方面僅拿到第 23 名，換算每瓦雖然也算是很靠前的 6GFlops，但日本 Shoubu System B 則是達到每瓦 18.4GFlops 的驚人程度。
然而到 2018 上半年的排名，日本仍維持混用英特爾、NVIDIA 以及自有 PEZY 計算架構的混合計算型態，雖然最佳排名是 AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) 的第 5 名，性能仍然離榜首有段距離，但多款超算的能效表現仍成功在 Green 500 排名中的前 10 名拿下 6 個席次。
與太湖之光不同的是，日本的超算架構並沒有堅持自有路線，由 PEZY Computing 所打造的晶元架構主要還是作為輔助計算之用。最新的 SC2 整合了 2,048 個內核以及每個內核 8 路 SMT 支持，總共 16,384 個線程，是其前身的兩倍。PEZY-SC2 是 2017 年底幫助日本多款超算打進頂級 Green500 超算能效排名的最大背後功臣，通過 PEZY-SC2 與英特爾與 NVIDIA 晶元的混搭使用，達到更高層次的能效表現。
圖｜以個別晶元為單位來比較，二代 PEZY 核心在互聯與功耗控制能力方面仍略勝太湖之光的申威架構一籌
日本自有的 PEZY 核心包含了 6 個 P-Class P6600 MIPS(MIPS64R6) 處理器，並擁有 128 個稱為 city 的輔助計算單元。相較之下，舊版 PEZY-SC 僅依靠 2 個輕量級的 ARM926 內核，成為性能的最大瓶頸。SC2 擁有 40 MIB 共享最後緩存，不僅可以在所有處理核心區塊共享，還可以通過 MIPS 內核共享。為了進一步提高性能，MIPS 內核和 PEZY 內核現在共享相同的地址空間，從而減少數據傳輸開銷。值得注意的是，通過使用功能強大的 MIPS 內核以及異構計算核心，PEZY Computing 在與其他計算架構搭配之後，在成本與能耗方面達到世界一流水平。
雖然初代 PEZY 核心因為 Arm 架構的落後而表現不佳，但日本也沒有放棄 Arm 架構超算潛力的挖掘。
由富士通所推出，曾幫助日本奪得 Top 500 超算第一名的 Kyo 核心，就從 SPARC 轉向Arm 架構。前不久富士通宣佈推出自主研發的 ARMv8 SVE(可伸縮矢量擴展) 的新款 Kyo 超算晶元，使用了512bit 浮點運算單元，每個節點使用 48 核+2 輔助核，IO 及計算節點則是 48 核+4 輔助核結構。而其效能評估是目前仍佔據超算 Top 500 第 10 名的 Kyo超算的 100 倍，而功耗只增加了 3 倍。
通過新版的 Kyo 的推出，富士通可望扭轉近年日本超算核心在性能落後中美的狀況，不僅理論性能超越中國太湖之光 10 倍以上，也能壓倒美國 Summit 超算的算力表現。
圖｜由富士通研發的新一代 Kyo 超算平台誓言要讓日本重回 Top 500 超算榜首
IDM Power 架構協同 NVIDIA 的純美國芯重回 Top 500 榜首
帶領美國重回超算 Top 500 榜首的Summit 超算中，包括了 4,608 個服務主機，搭載了超過 9,000 個 IBM 的 22 核心 Power9 處理器和超過 27,000 個 NVIDIA Tesla V100 GPU。採用的 IBM Power 9 架構，可以說是完全針對 NVIDIA 的 GPU 架構優化而來，其採用的 NVLINK 2.0 規格可帶來高達 300GB/s 的頻寬表現，很大程度上解決了資料傳輸過程的瓶頸，且因為 NVLIN 支援了快取一致性設計，也同時能夠有效提升 GPU 的計算性能。
然而 Power 架構的優勢還不止於此，根據官方資料，IBM Power 9 的最大 I/O 頻寬是 Intel x86 處理器的 9.5 倍，可支援存儲器容量是 2.6 倍，高效能核心數量為 x86 的 2 倍，存儲器頻寬則是 x86 的 1.8 倍。更重要的是，通過 NVLINK 2.0，CPU 與 GPU 之間的互連頻寬達到 X86 伺服器目前使用的 PCIe 3.0 的 9 倍，大大舒緩了 GPU 等待資料傳輸所造成的計算能力浪費。
圖｜通過與 NVIDIA 的緊密合作，IBM 的 Power 架構在超算領域成功重奪眾人目光
Power 9 也不是指標對了 NVIDIA 的計算架構作優化，事實上，它針對的是所有平台，Summit 中使用的 Power9 AC922 伺服器採用的是 OpenCAPI 技術。OpnCAPI 是 IBM 與 AMD、Google、Mellanox、Micron、Xilinx 等行業巨頭聯合發布一種全新的「OpenCAPI」(開放式一致性加速器界面) 標準，由此推動一致性高性能匯流排界面，滿足高性能異構計算的需求。
不過基於 Power 架構+NVIDIA 美國芯組合的 Summit 超算還只是剛開始，美國目前已經決定要提高下一期先進計算領域的預算達 39%，期望能通過資本投入的增加，繼續維持其在超算地位的領先。
潛力架構：英特爾的 Nervana 平台
雖然在此次 Top 500 名單中沒有太多表現，但英特爾的 Nervana 在計算上的潛力仍不容忽視。
目前英特爾在超算領域其實面對的挑戰越來越多，不只是 IBM 的 Power 架構，中國的申威，甚至連行將就木的 MIPS 也都把英特爾的架構，而過去總被認為只能在移動計算領域的 Arm，如今也成為 Kyo 的架構核心，其能效表現更把目前的英特爾遠遠拋在腦後。
如果繼續維持現有的 CPU 計算架構，那麼英特爾早晚會被超算架構所淘汰，而英特爾自然也不能夠坐以待斃。前幾年收購 Altera 與 Nervana 也將迎來開花結果。
英特爾其實鑽研專用加速計算架構已經有相當久的歷史，其成果包含 Xeno Phi 系列，該架構採用的是龐大數量的小核心所組合起來的單一晶元架構，其實與申威、PEZY 的作法相當類似，但是成本高，而能效也沒有特別出色，導致使用率一直無法有效提高，Xeon Phi 最新架構 Lake Crest 雖然性能較就款已有成長，但相較起對手的成長幅度，已經有明顯落後的趨勢，因此英特爾今年改端出基於與 Altera FGPA 架構作異質整合，代號為 Spring Crest 的新一代 Nervana 神經網路處理器，根據英特爾給的數據，該神經網路架構的性能已經是 Lake Crest 架構 Xeon Phi 的 3 倍以上。
過去 Xeon Phi 在 Top 500 超算中的應用比例遠低於 NVIDIA，主要還是性能價格比較弱，及針對目前已經成為主流的 AI 加速應用的生態完整度還是有落差，英特爾期望能通過結合 Nervana、Altera 以及既有優勢 CPU 技術的 Spring Crest 架構，確保其在伺服器領域的優勢地位能夠維持下去。
其他挑戰者
當然，目前還有更多計算架構仍在發展中，比如說量子計算、光子計算，甚至是光量子計算，這種性能超越傳統計算從百倍到百萬倍的新架構預計也會對未來的超算架構產生一定的影響。
尤其是在能耗方面，傳統半導體架構帶來的熱和運作能耗是難以解決的問題，這也導致超算的持續運作維持成本可能要高於建構成本，若運作成本持續攀高，恐怕會限制未來超算的發展空間。而這也是超算排名有了依照絕對性能排名的 Top 500，還要另外有以能耗比例為比較基準的 Green 500 的原因。
超算競爭的背後是個別國家基礎科學發展的擘劃，但也成為推動人類成長的動力
為何發展超算如此重要？超算的性能可以衡量一個國家的技術實力，但這是個狹義的衡量標準，因為速度只是計算性能的要素之一。另一個重要元素在於軟體，軟體可以賦予計算機生命，通過軟體的發展，我們就可以把算力分散到各種產業，協助產業的發展。
圖｜超算代表的是一個國家對自己技術根基的投入程度，和國力的展現
前面也提到，目前從基礎科學、材料、生醫、金融、航天、軍事，甚至未來的宇宙理論與太空探勘發展，都需要龐大算力的支持，過去土法鍊鋼，或分頭進擊的方式已經沒有效率可言，而通過國家力量的投入，超算已經形成未來推動人類視野發展的最大武器。
目前超算的算力競爭很多還是出自於期望借相關發展來提高對核心技術的掌握與對基礎科研的支持，從而幫助各自產業的發展，雖然出自私心，但其實也在相當程度上共同推動了人類社會的發展。
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