中美歐日展開“E級超算”大戰

魏云峰

E級超算是指每秒可進行百億億次數學運算的超級計算機，被全世界公認為“超級計算機界的下一頂皇冠”。美國于6月8日宣布成功研制運算速度高達每秒20億億次的新一代超級計算機“頂點（Summit）”。憑借這臺“當今世界最強大、最智能的超級計算機”，美國重新奪回失落5年之久的超算“世界第一”寶座。在外界對此熱議不休的同時，處于超算研制競賽第一集團的美國、中國、歐洲和日本卻在潛心為運算速度達到每秒百億億次的E級超算展開更激烈的比拼，畢竟它才是“超算界的下一頂皇冠”。

美國超算重回世界第一

美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室在官網發布了新一代超級計算機“頂點”，并宣布它成為世界上最強大、最智能的科學超級計算機，超越了此前排名世界第一的中國“神威·太湖之光”。IBM首席執行官吉尼·羅曼提在接受采訪時表示：“‘頂點的浮點運算速度峰值為每秒20億億次，比美國目前排名最高的‘泰坦強8倍。”美聯社稱，“頂點”的峰值速度比普通筆記本電腦快了100萬倍，幾乎是中國“神威·太湖之光”峰值速度的兩倍，后者的運算速度為每秒12.5億億次。

美國能源部長里克·佩里說，“頂點”超算將給能源研究、科學發現、經濟競爭力和國家安全帶來深遠影響。美能源部今年將啟動遴選科學項目，申請使用“頂點”超算的科學項目已開始排隊。此外，“頂點”還能整合人工智能（AI），尋找疾病的治療新方法等。《麻省理工科技評論》雜志則說得更直白——“全世界的超級計算機都被用來進行研究和研制新武器。如果美國擁有最強大的超級計算機，美國的研究人員和武裝部隊就會具備更多的優勢。”

值得注意的是，橡樹嶺國家實驗室發布“頂點”超算的時間，恰逢新一期“全球超算500強”榜單6月發布之前。自2013年以來，中國超算一直牢牢占據著該排名榜的榜首位置，讓美國倍感壓力。美國總統特朗普上臺后大幅削減科研經費，卻對超算額外開恩，甚至還增加撥款，可見其重視程度。如今美國卡著時間節點，力求將“頂點”穩妥地送回“全球超算500強”榜首位置，也算是“用心良苦”。

中國計算機學會高性能計算專業委員會秘書長、國家超算濟南中心主任張云泉說，對于美國新一代超算今年的反超，其實業內早有預期。他介紹說，鑒于中國當前運算速度最快的超算“神威·太湖之光”和“天河二號”最近幾年都沒有大幅升級的計劃，因此預計美國“頂點”還將占據“全球超算500強”榜首一段時間。不過由于參與“全球超算500強”排名的超算是由企業和高校、研究所等自行申報，未來也不排除其他此前未公開的超算“異軍突起”的可能。

E級超算時間表，中國領先

“神威·太湖之光”和“天河二號”沒有升級計劃，并不代表中國放棄了超算競爭，而是集中精力發展革命性的E級超算。在超算研制競賽的無休止角逐中，“全球超算500強”的排名變化不過是“小插曲”，美國、中國、歐洲和日本都在以舉國之力對E級超算進行攻關。

張云泉透露，美國同時上馬了兩個E級超算項目，其中一個走成熟路線，采用相對成熟的技術以節省時間，爭奪最早研制出E級超算的“桂冠”，預計將在2021年發布;另一個項目則集中各種先進技術，不惜代價謀求在E級超算中的長期霸主地位。相比之下，歐洲和日本的E級超算推出時間相對落后，基本都在2022年之后。

按照中國的時間表，中國最早有望在2020年發布E級超算。目前中國同時啟動了三大E級超算原型系統的研發，分別是國防科大和天津超算中心的“天河三號”、中科曙光的E級超算以及江南所和濟南超算中心的“神威”E級超算。

張云泉表示，其中“天河三號”采取的技術路線與日歐類似，都是基于ARM構架處理器;中科曙光則選擇了類似于美國主流超算的CPU+GPU技術路線;“神威”采用的是眾核異構體系。“中國這三大項目囊括了當今世界E級超算的三大技術流派，而且核心處理器都是國產的。它們將相繼發布用于技術驗證的E級超算原型機，未來中國將同步推出至少兩個、甚至三個E級超算。”

必須承認的是，各國在E級超算項目上的激烈競爭，恰恰也說明了其研制的難度之高。張云泉介紹說，E級超算不但運算速度超過每秒百億億次，而且對于其能耗、可靠性以及開發百億億次級應用程序等方面都有嚴苛的要求，因此被稱為“超算界的下一頂皇冠”。

美國對“頂點”的介紹中突出了它與AI的相關應用。張云泉表示，科學界在超算的研制中，發現它與AI有天然的密切聯系，尤其是在基本架構等方面與當前AI采用的技術頗有共通之處，因此“超算+AI”也被視為未來超算應用的重要發展路徑，例如依托超算和人工智能的智慧城市，或許將成為現實。

超算對運算速度的追求沒有止境嗎？這樣高速的超算到底用在什么地方？張云泉說，必須要承認，超算的性能是永遠不夠用的，在材料科學、物理、化學、生物、能源、太空等很多領域，超算應用只能“委屈”地降低精度要求、規模要求來配套現有超算的性能。事實上，不但那些高精尖領域離不開超算，如今我們生活也與超算有越來越緊密的聯系，例如手機收到的精準天氣預報就有超算的功勞，甚至動畫片的渲染也大量采用超算協助。據介紹，“天河二號”參與過上百部動畫的渲染與特效制作，其中就有大家熟知的《熊出沒》。

張云泉提醒說，總體而言，雖然中國超算的硬件方面已取得諸多成就，但在超算的應用領域仍與美國有較大差距。盡管我們的超算在許多大型科學計算方面已有更多應用，但在其廣度和深度、特別是商業化開發領域，仍存在諸多不足。這也是中國超算未來發展必須要解決的一個問題。此外，超算是一個交叉學科，由計算機科學、計算數學、行業應用領域應用知識三方面構成，對人才要求非常高。目前國家對相關人才的需求很大，但實際數量遠遠不足。

數量決定成果

不過，據美國《紐約時報》6月發布的新一期“全球超算500強”榜單，在超級計算機前500名上，我國已經遠遠超出了美國，并且在整個TOP500榜單上占據了足足206位，總占比高達41%，不但超過了美國的25%，也超過其他國家的34%。

眾所周知，超級計算機的作用非常大，在社會各行各業中都有極大的作用，“E級超算將在解決人類共同面臨的能源危機、污染和氣候變化等重大問題上發揮巨大作用。”張云泉說。

更為重要的是，尤其是在新一代的武器研發和科研項目上，超級計算機幾乎決定了整個項目的進度。就目前來看，超級計算機的數量幾乎決定了一個國家的科研成果。

而在今年的榜單中，我國擁有了206臺超級電腦，比去年多出40臺，而在2019年和2020年我國的幾款百億億級計算機投入使用以后，我國還能占據更多的名額。

隨著新一代先進超級計算機的投入使用，我國在科研、前端技術方面無疑能遠超其他國家，不過美國相對去年足足下降了40臺，對其來說這自然不是什么好消息。

（綜合摘編自《環球時報》、CHN強國網）