2018年中國高性能計算機發(fā)展現(xiàn)狀分析*

袁國興，張云泉，袁 良

(1．北京應用物理與計算數(shù)學研究所，北京100088;2．中國科學院計算技術研究所計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室，北京100190)

1 引言

在國際上，自1993年起每年都會按Linpack的測試性能公布在世界范圍內(nèi)已安裝的前500套高性能計算機排行［1］，這已成為高性能計算機研制生產(chǎn)、市場發(fā)展、應用交流和趨勢分析預測的重要參考。2002年，中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學軟件分會首次發(fā)布中國高性能計算機性能排行榜，并在隨后每一年的10月末或11月初公布當年度我國高性能計算機性能TOP100排行榜［2-9］。在過去的十余年間，已由中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學軟件分會聯(lián)合中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會與國家863高性能計算機評測中心發(fā)布的中國HPC TOP100排行榜，為我國高性能計算機的研制及在眾多領域的應用推廣作出了顯著的貢獻。2018年TOP100排行榜發(fā)布單位變更為中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會與中國工業(yè)與應用數(shù)學學會高性能計算與數(shù)學軟件專業(yè)委員會，發(fā)布單位于2018年8月修定了“中國高性能計算機性能TOP100排行榜工作條例”，進一步細化明確了排行榜規(guī)則等細節(jié)。

2018年 10月 18日，最新一期中國 HPC TOP100排行榜在山東青島召開的HPC China 2018年年會上發(fā)布。本文基于最新排行榜數(shù)據(jù)，對我國高性能計算機的性能、制造廠商、體系結(jié)構(gòu)、應用領域及部署機構(gòu)等進行了討論分析。

2 性能分析

2018年，由國家并行計算機工程技術研究中心研制、部署于國家超級計算無錫中心的神威·太湖之光超級計算機繼續(xù)占據(jù)榜首，它是當前中國最高性能的超級計算機系統(tǒng)，同時也是全球性能第3的系統(tǒng)。

神威·太湖之光由40個機柜、總共160個超級節(jié)點組成，每個超級節(jié)點含256個計算節(jié)點，每個計算節(jié)點配備1顆1．45 GHz、260核的申威26010處理器，全系統(tǒng)總峰值性能為125．435 9 PFLOPS，Linpack 實測性能為 93．014 6 PFLOPS，是排名第2的天河二號系統(tǒng)Linpack測試值的1．51倍。

和去年相比，第2名和第3名依舊是由國防科技大學研制且分別部署于國家超級計算廣州中心和天津中心的兩套天河系列超級計算機，未發(fā)生變化。部署于國家超級計算廣州中心的天河二號系統(tǒng)使用國產(chǎn)加速卡Matrix 2000進行了升級，系統(tǒng)峰值性能達到100 PFlops，又為我國增加了1臺峰值性能達100 PFlops的系統(tǒng)。本年度第4名為部署在國家超級計算濟南中心的神威E級原型系統(tǒng)，第5名和第7名為部署于中國氣象局的兩套曙光TC6000超級計算機。國防科技大學和曙光公司的兩套E級原型系統(tǒng)分別排在第6和第9名。前10名中只有一臺部署于網(wǎng)絡公司的浪潮GPU集群系統(tǒng)，排在第8位。部署于呂梁云計算中心的1套天河系列超級計算機由去年的第4名下降到第10名。

2018年中國HPC TOP100排行榜第4～9名共五套系統(tǒng)均為本年度新部署的系統(tǒng)，此5套新增系統(tǒng)的Linpack性能值均超過2 PFLOPS，且5套系統(tǒng)中有4套用于科學計算領域，其中，3臺E型原型機全部部署到位，分別是排在第4、6和9名的神威E型原型機、國防科技大學E型原型機和曙光E型原型機，3臺機器的Linpack效率均超過70%，國防科技大學E級原型機Linpack效率為78%，神威E型原型機的Linpack效率更是超過了80%，這說明國產(chǎn)系統(tǒng)的軟硬件優(yōu)化工作有大幅度進展。

需要注意的是，與去年類似，本年度中國HPC TOP 100排行榜對同一用戶、同一廠商、同一地區(qū)安裝的相似結(jié)構(gòu)的計算機，在榜單中只列出Linpack較高的一套。據(jù)此規(guī)則，全部榜單中100個性能位置共有135套高性能計算系統(tǒng)，但前10名中沒有重復。改進的規(guī)則使得更多的系統(tǒng)或高性能計算用戶得以進入榜單，能更好地反映我國高性能計算現(xiàn)狀。

2018年完整的前10名榜單如表1所示。

Table 1 Top 10 systems of China HPC TOP100 in 2018表1 2018中國HPC TOP100前10名系統(tǒng)

2018年上榜機器的Linpack性能全部超過1 P，P級系統(tǒng)已經(jīng)基本成為高端計算的主流，其中Linpack性能值超過1．5 PFLOPS的系統(tǒng)超過一半，達到51套。

2018年，作為入榜門檻的第100名系統(tǒng)是聯(lián)想公司研制、部署于網(wǎng)絡公司的計算集群系統(tǒng)，其Linpack性能值為1 127 TFLOPS，和2017年第100名的798．6 TFLOPS相比，性能提升了1．41倍(參見圖1)。這一入門性能值與去年估計的1 100～1 200 TFLOPS基本相符。

2018年所有100套入榜系統(tǒng)的Linpack平均性能為 3 078 TFLOPS，這是 2017年平均性能2 236．48 TFLOPS的1．37倍。平均性能增速較去年有較大提升，主要是因為排名前10的系統(tǒng)增加了新鮮血液，特別是排名第2的天河二號系統(tǒng)升級后，Linpack值由 33 862 TFlops提升為 61 445 TFlops。

3 制造商分析

2018年，性能排名前100的共135套上榜系統(tǒng)由浪潮、聯(lián)想、曙光等6家廠商研制，排除重復機器數(shù)后，曙光和聯(lián)想以40套并列排名廠商份額第1名，浪潮、華為、國防科技大學和國家并行計算機工程技術研究中心分別以12、2、4、2的裝機數(shù)量位列第3～6名。圖2給出了中國HPC TOP100計算機制造商的前100套系統(tǒng)統(tǒng)計。

以聯(lián)想、曙光、浪潮為代表的國內(nèi)廠商是我國HPC系統(tǒng)的主要產(chǎn)出單位，占據(jù)了絕大部分市場份額，2018年國外廠商的機器全部退出TOP100榜單，為歷史首次，再次佐證了我國高性能計算機研制能力的提升和市場份額的持續(xù)擴大。

從圖3所示的系統(tǒng)性能份額來看，國家并行計算機工程技術研究中心以31%遙遙領先，國防科技大學以22%緊隨其后。兩者相加的6套系統(tǒng)占據(jù)了全部系統(tǒng)性能一半以上。國防科技大學、國家并行計算機工程研究中心為代表的國家隊專注于數(shù)量少但世界領先的超大規(guī)模計算系統(tǒng)，而以曙光、聯(lián)想、浪潮等為代表的商業(yè)化公司致力于HPC系統(tǒng)的市場化和普及化，這種兩條腿走路的模式已經(jīng)是并將依舊是相當長一段時間內(nèi)我國HPC系統(tǒng)研制的常態(tài)。

4 體系結(jié)構(gòu)分析

共享內(nèi)存(SMP)、分布式共享內(nèi)存(DSM)、大規(guī)模并行處理(MPP)等多種體系架構(gòu)百花爭艷的時代已經(jīng)過去，分布式集群計算系統(tǒng)(Cluster)成為當前高性能計算機的絕對主流，近五年來進入TOP100榜單的系統(tǒng)絕大部分采用集群架構(gòu)。但需要注意的是，基于自主眾核高性能處理器并采用專有架構(gòu)的神威·太湖之光系統(tǒng)更接近于傳統(tǒng)的MPP架構(gòu)，結(jié)合當前世界排名前10系統(tǒng)中有6套采用MPP架構(gòu)的事實，可見在最高端系統(tǒng)中，基于商用計算部件的集群架構(gòu)并無優(yōu)勢。

除神威·太湖之光采用國產(chǎn)申威處理器以及國防科技大學采用國產(chǎn)Matrix 2000加速卡外，其余系統(tǒng)均采用了Intel Xeon系列處理器，AMD Opteron和IBM Power處理器不再在榜單中出現(xiàn)。

專用加速計算部件首先出現(xiàn)在TOP100榜單中是2009年，由國防科技大學研制部署于國家超級計算天津中心的天河一號系統(tǒng)配備了2 560塊ATI Radeon加速卡，并以此獲得563．1 TFLOPS的計算性能，成為該年最高性能的HPC系統(tǒng)。自2010年起，基于NVIDIA公司的Tesla系列GPU的HPC系統(tǒng)登上榜單并逐漸成為加速計算的主流?；贗ntel Xeon Phi加速卡的系統(tǒng)出現(xiàn)于2013年，并在TOP100榜單中占據(jù)少量但穩(wěn)定的份額。除去國防科技大學天河二號升級系統(tǒng)采用了Matrix 2000作為加速部件外，2018年有32套系統(tǒng)采用NVIDIA Tesla GPU或Intel Xeon Phi等進行性能加速，達到了歷史新高(如圖4所示)，其主要原因是GPU在深度學習計算中大放光彩。今年共有31套系統(tǒng)采用Tesla GPU，其中絕大部分用于深度學習等相關計算。需要指出的是，Intel已宣布停產(chǎn)Xeon Phi。

關于專用加速計算設備的應用，特別需要指出的是，無論是 NVIDIA/AMD GPU，還是 Intel Xeon Phi，在上榜系統(tǒng)中最先都是由國防科技大學、中國科學院等科研類機構(gòu)研制采用，且主要應用于基礎科學研究;隨后才被浪潮、曙光、聯(lián)想等商業(yè)化公司采用，并在眾多領域得到大規(guī)模應用。這無疑是一種良好的模式。

體系結(jié)構(gòu)上變化最為明顯的是系統(tǒng)互連網(wǎng)絡，千兆以太網(wǎng)4年前占據(jù)了100套系統(tǒng)中的70%，而今年已經(jīng)徹底退出歷史舞臺，不再在榜單中出現(xiàn);相對應地，萬兆以太網(wǎng)從4年前的16%到去年的88%再至今年的59%，仍然是高性能計算系統(tǒng)的絕對主流互連網(wǎng)絡。需要注意的是，這里的萬兆網(wǎng)包括了100 GbE、40 GbE、25 GbE和最低性能的10 GbE共4類，而在今年占據(jù)主流的是10 GbE和25 GbE。

InfiniBand網(wǎng)絡在今年出現(xiàn)了大幅增加，這主要是由于用于科學計算的機器數(shù)量增加，由去年的8%增加到35%。從需求和用戶的角度，我們期望這兩者能保持良好的競爭態(tài)勢，以提供性能更佳、價格更優(yōu)的互連網(wǎng)絡環(huán)境。

5 應用領域分析

圖5給出了2018年中國HPC TOP100中行業(yè)應用領域的系統(tǒng)數(shù)量統(tǒng)計。目前，所有系統(tǒng)分布于八個大的應用領域，其中用于大數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)最多，達到27%;其余是云計算(20%)、科學計算(17%)、超算中心(13%)、政府電信(6%)、安全(4%)、工業(yè)制造(4%)和能源石油(2%)。

進一步地，依據(jù)應用模式的不同，上述八類應用可進一步大致歸并為三大類:

(1)數(shù)據(jù)分析挖掘類。Map-Reduce、深度學習計算模型等基于數(shù)據(jù)的(非數(shù)值類)應用。

(2)科學與工程計算。主要指傳統(tǒng)的數(shù)值計算類應用，通常是計算密集型(也有數(shù)據(jù)密集型)。

(3)信息服務類。頻繁交互的互聯(lián)網(wǎng)服務類應用。

本年度，數(shù)據(jù)分析類應用系統(tǒng)占據(jù)了所有系統(tǒng)的47%，較去年的56%有所下降，與2016年的48%占比相近;傳統(tǒng)的科學與工程計算系統(tǒng)由去年的14%增加到30%，與2016年的29%占比相近，信息服務類系統(tǒng)比2017年略有降低，從30%降低到23%。

6 部署機構(gòu)分析

2018年中國HPC TOP100系統(tǒng)部署機構(gòu)類別統(tǒng)計如圖6所示，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以40%占最大份額，其他企業(yè)(金融、制造業(yè)等)占25%，兩者合計為65%，比2017年的77%有所降低。這主要是由于科學計算的機器數(shù)量明顯增加，充分說明了高性能計算機、高性能計算技術的主要應用還是在科學計算領域，并在多個領域尤其是互聯(lián)網(wǎng)領域發(fā)揮著不可替代的作用。其余33%的系統(tǒng)分別部署于政府部門、超級計算中心和科研院所。

7 結(jié)束語

2018年，中國高性能計算機繼續(xù)呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，無論是性能、應用領域還是應用規(guī)模均有著長足發(fā)展。圖7給出了2002～2018年共17年來TOP100數(shù)據(jù)變化?？梢钥吹?，近十年來，第1名系統(tǒng)受國家相關科研計劃影響，其性能呈跳躍式發(fā)展，在神威·太湖之光之后，下一臺E級系統(tǒng)有望在2019年后出現(xiàn);最后一名性能則呈規(guī)律性指數(shù)增長，2019年入榜性能預計在 1．5～1．6 PFLOPS。

Figure 7 China HPC TOP100，from 2002 to 2018圖7 2002～2018年TOP100數(shù)據(jù)