探訪中國超算「下一頂皇冠」：核心器件全部國產

隨著日本8月底宣布下一代超算將在2021年問世，中國、美國、日本和歐洲在超算領域的競爭日趨白熱化，各方角逐的新戰場轉移到運算速度達每秒百億億次的E級超算。為爭奪「超算界的下一頂皇冠」，中國的E級超算研製計劃已全面展開。近日，記者獨家探訪部署有「神威」E級超算原型機的國家超算濟南中心，親眼目睹下一代「國之重器」。

走近「神威」E級原型機

噪音與低溫，這是記者走進國家超算濟南中心機房的第一感受。這裡部署著中國首台全部採用國產處理器和系統軟體構建的千萬億次計算機——「神威·藍光」。一個月前，「神威·藍光」迎來一個新鄰居——「神威」E級超算原型機。

雖然E級超算被譽為「超算領域的下一頂皇冠」，但其原型機卻「貌不驚人」。「神威」E級超算原型機目前只是一台一人多高的純黑色機櫃，上面印有金色的「神威 E級原型系統」字樣。打開原型機的機櫃門，裡面整齊分布著32個運算超節點，每個超節點又由8個申威眾核處理器構成。

作為原型機，雖然它的體積不大，但相比由9個機櫃組成的「老前輩」「神威·藍光」，「神威」E級超算原型機的浮點運算速度達每秒3000萬億次，是「神威·藍光」的3倍，相當於我國最強超算「神威·太湖之光」運行速度的1/30。

據國家超算濟南中心主任張雲泉介紹，「神威」E級超算原型機實現了完全自主可控——處理器、網路交換晶元、消息處理晶元等核心器件全部實現國產化。運算系統全部採用具有完全自主知識產權的申威眾核處理器；高速互連網路系統全部採用完全自主知識產權的申威網路晶元構建；存儲和管理系統採用申威多核處理器構建，實現了對該領域產品的國產化替代。

中國E級超算的三條路徑

早在2016年前後，中國已經啟動E級超算的研發計劃，同時開始3種技術路徑的探索：國家超算天津中心同國防科技大學聯合研製的「天河三號」E級超算原型機已於7月22日在天津完成部署，國家並行計算機工程技術研究中心聯合國家超算濟南中心研發的「神威」E級超算原型機於8月5日在濟南正式啟用。此外，中科曙光也在進行E級超算的研製，但暫時還未披露該項目的進展。

國家超算濟南中心副主任潘景山向記者介紹稱，2016年至2018年是中國E級超算規劃中的第一步，即進行原型機的研發。這一階段完成後，三家的E級超算將進行PK，通過「賽馬機制」確定其中兩家並製造出兩台真正的E級超算。「根據計劃，擁有每秒百億億次運算速度的『神威』E級超算將在2020年正式發布。」

雖然都是走眾核路線，但張雲泉告訴記者，三家的研發路徑卻不盡相同。根據此前披露的消息，中科曙光的E級超算原型機採用了自主X86架構處理器和加速器的異構眾核體系架構。有分析認為，雖然X86處理器的技術相對成熟，但要將其完美移植到中國的E級超算上，達到較高的性能，依然存在不小的難度。

相比中科曙光，「天河三號」E級超算的原型機採用了「多模融合加速架構」，即同時使用國產飛騰FT2000+處理器和邁創Matrix 2000+加速器。據張雲泉介紹，「天河三號」的架構中既有專門的飛騰晶元分區，也有邁眾晶元分區，二者既可以單獨運行，也可以合力運行。

與「天河三號」原型機處理器+加速器的鬆散耦合架構相反，「神威」E級超算的原型機採用了緊耦合的「同構眾核」架構，在國產的申威26010+處理器中採用四個主核帶256個從核的架構。張雲泉對記者表示，「神威」的集成度更高，功耗更低，但挑戰在於並行編程的難度會提升。「不過根據國際業界預測，未來最合適E級超算的架構應該就是『胖核』+『瘦核』。」

中美日歐，都在搶第一

在美國超算「頂點」於今年6月超過「神威·太湖之光」、重奪全球超算第一後，中美之間的超算之爭更加趨於白熱化，對於下一代E級超算，兩國都展示出「勢在必得」的姿態。

據美國媒體披露，美國第一台E級超算代號為「A21」，未來計劃部署在美國阿貢國家實驗室，於2021年投入使用。不久前，美國又宣布2個新的E級超算計劃，其中一台將採用與A21不同的架構，部署在橡樹嶺國家實驗室；計劃部署於勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的E級超算則可能採用一種全新架構。

日本的E級超算研製則基於目前的超級計算機「京」。2016年，富士通和日本理化學研究所宣布為日本開發首台E級超算——「後京」，並計劃在2020年部署。但不久後，該項目負責人石川裕博士承認，「後京」的部署可能會延遲。

相較中美日的E級超算研製已經給出明確的時間表，歐洲的E級超算卻遲遲沒有眉目。張雲泉向記者介紹稱，由於歐洲超算此前一直採用美方技術，缺少自主核心技術，因此目前雖然有了E級超算計劃，但沒有看到實質性進展。

「目前來看，中國E級超算計劃於2020年完成部署，應當是走在了世界的最前列」，張雲泉對記者表示，但可以預期的是，在未來十年，中美在超算領域交替領先的格局不會出現根本性改變。

儘管在超級計算機研發本身，中國毫無疑問處於第一梯隊，但潘景山對記者表示，從超算的整體生態來看，中國依然與美國存在差距，業界也在共同努力，希望儘快打造屬於我國的超算應用生態。

未來應用要「頂天立地」

超級計算機可謂是「國之重器」，即使拋開數額巨大的研發費用不提，每台超算每年的用電都需要花費上億元，這讓不少民眾都提出一個疑問：普通人如何從下一代E級超算中受益？

「對於E級超算的應用，我們的思路是『頂天立地』」，張雲泉對記者解釋道，一方面，超算需要服務國家戰略，為科學研究提供計算能力。以計劃部署在山東的「神威」E級超算為例，它將為國家海洋強國戰略構建「深藍大腦」，支撐海洋和氣候預測、海洋藥物智能篩選、海底戰略性資源智能勘探、海洋生態系統演變預測、海洋大數據智能分析等應用。

另一方面，「神威」E級超算還將立足濟南，服務全國，解決健康醫療、先進位造、航空航天、氣候氣象、生物信息、新能源新材料等一批國家科學與工程計算領域的重大課題，為國家經濟建設提供國際領先的計算平台，為中國製造業賦能。

據張雲泉透露，在「神威」E級超算原型機正式啟用的近1個月中，濟南超算中心已經將「神威·太湖之光」的20多個應用順利移植過來，並進行了一系列測試。

張雲泉還向記者介紹，「神威」E級原型計算機也緊跟行業熱點，首次在國產超級計算機上構建了人工智慧軟體生態鏈，基於神威深度學習庫和框架，開展了對弈系統、醫療影像識別、機器翻譯多個大規模人工智慧應用，其中機器翻譯應用的數據規模、並行規模和訓練速度世界領先。（來源：環球網）

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