2020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(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所，北京 100088;2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室，北京 100191)

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(yīng)用交流和趨勢分析預(yù)測的重要參考。2002年，中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)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(dāng)年度中國高性能計算機性能TOP100排行榜[2 - 11]。在過去的十余年間，已由中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)軟件分會聯(lián)合中國計算機學(xué)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(lǐng)域的應(yīng)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(xué)會高性能計算專業(yè)委員會與中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會高性能計算與數(shù)學(xué)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)。

2020年11月15日，最新一期中國HPC TOP100排行榜在北京召開的第二屆中國超級算力大會上發(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(yīng)用領(lǐng)域和部署機構(gòu)等進行了討論分析。

2 性能分析

與去年類似，本年度中國HPC TOP100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，在榜單中列出Linpack較高的一套。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。2020年聯(lián)想、浪潮、聯(lián)泰集群、同方和DELL集團分別提交了32,38,1,1和1套新系統(tǒng)。聯(lián)想提交的32套系統(tǒng)合并了10套，合并后是22套，其中上榜21套；浪潮提交的38套系統(tǒng)合并了14套，合并后是24套，其中上榜23套；聯(lián)泰集群、同方和DELL集團提交的3套系統(tǒng)均上榜。合計新增73套，排除并列后新增49套，其中上榜47套。去年榜單留存系統(tǒng)53套。今年全部榜單中100個性能位置共有154套高性能計算系統(tǒng)。

2020年，由國家并行計算機工程技術(shù)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(dāng)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4的系統(tǒng)。神威·太湖之光由40個機柜、總共160個超級結(jié)點組成，每個超級結(jié)點含256個計算結(jié)點，每個計算結(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實測性能值為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。

2020年排行榜中第2名依舊是由國防科技大學(xué)研制的部署于國家超級計算廣州中心的天河二號超級計算機。2018年天河二號系統(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，排名前2名的系統(tǒng)峰值性能均達到了100 PFlops。

排名第3的系統(tǒng)是2020年由DELL集團研制、部署在北京超級云計算中心的北京超級云計算中心A分區(qū)超級計算機，該超算系統(tǒng)安裝在中國西北地區(qū)，包含3 000個計算結(jié)點共6 000個AMD EPYC 7452 32C 2.350 GHz處理器，總核數(shù)為192 000，網(wǎng)絡(luò)配置為FDR。Linpack實測性能為3.74 PFlops，系統(tǒng)峰值為7.03 PFlops，Linpack效率為53.20%。

排名第4的系統(tǒng)是2020年由同方公司研制、部署在內(nèi)蒙古自治區(qū)和林格爾新區(qū)的內(nèi)蒙古高性能計算公共服務(wù)平臺(青城之光)，包含1 600個計算結(jié)點，共3 200個Intel Xeon Gold 6254 18C 3.1 GHz處理器，總核數(shù)為57 600，網(wǎng)絡(luò)配置為EDR。Linpack實測性能為3.18 PFlops，系統(tǒng)峰值為5.34 PFlops，Linpack效率為59.60%。第3名和第4名系統(tǒng)的部署也增加了我國超算系統(tǒng)的安裝地點的多樣性。

排名第5～第10的是聯(lián)想公司的5套系統(tǒng)，均為深騰8800超級計算機，其中新增系統(tǒng)3套，2019年榜單系統(tǒng)2套。峰值性能在5.82～6.08 PFlops，Linpack測試性能在2.96～3.08 PFlops。值得一提的是，根據(jù)TOP100規(guī)則，對聯(lián)想公司提交的系統(tǒng)進行了合并，其中新增的第6名和第10名的系統(tǒng)各并列了4套和3套，這7套系統(tǒng)均部署在網(wǎng)絡(luò)公司。

完整的前10名榜單如表1所示。

2019年榜單中第9名和第10名由國防科技大學(xué)研制、部署于國家超級計算天津中心的天河一號A超級計算機和部署在國家超算濟南中心的神威E級原型系統(tǒng)，今年下降到了第29和第30名。位居于其上的系統(tǒng)中，除去第3名和第4名，新增的18套系統(tǒng)中有16套是聯(lián)想公司的深騰8800超級計算機，2套是浪潮公司的TS10000 HPC 集群，大部分也部署于網(wǎng)絡(luò)公司，這充分說明了互聯(lián)網(wǎng)和視頻大數(shù)據(jù)處理在我國大陸的強勁發(fā)展勢頭。

聯(lián)泰集群新增的4800IG集群排名第72,由1 680個Intel Xeon 6146 12C 3.2 GHz處理器和560個NVIDIA Tesla V100 32G GPU構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)配置為 FDR，部署在科技公司，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是人工智能，Linpack實測性能為2.06 PFlops，系統(tǒng)峰值為4.36 PFlops，Linpack效率為41.6%。

2020年上榜系統(tǒng)的Linpack性能全部超過了1.5 PFlops，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2 PFlops的系統(tǒng)達到81套。

2020年，作為入榜門檻的第100名系統(tǒng)是曙光公司的TC 6000系統(tǒng)，部署于政府信息中心，其Linpack性能值為1 869 TFlops，和2019年第100名的1 556 TFlops相比，性能提升了1.20倍(參見圖1)。這一入門性能值與2019年估計的1.8～2.0 PFlops相符。

2020年所有100套入榜系統(tǒng)的Linpack平均性能為3 842 TFlops，這是2019年平均性能3 471 TFlops的1.10倍。平均性能增速與2019年的1.13相近，主要是因為沒有增加峰值性能百P以上的大系統(tǒng)，并且新增系統(tǒng)的Linpack數(shù)值并沒有太大提高，導(dǎo)致今年僅有47套新增系統(tǒng)，與去年的55套接近，而2015年～2017年每年都有超過70套新系統(tǒng)，2018年更是新增了83套系統(tǒng)達到歷年最大值。

Table 1 Top 10 systems of China HPC TOP100 in 2020表1 2020中國HPC TOP100前10名系統(tǒng)

Figure 1 System performance comparison for China HPC TOP100 between 2019 and 2020圖1 2020年中國HPC TOP100系統(tǒng)與2019年系統(tǒng)性能對照

3 制造商分析

2020年，性能排名前100的共154套上榜系統(tǒng)由浪潮、聯(lián)想、曙光等9家廠商研制，排除并列系統(tǒng)數(shù)后，聯(lián)想以35套排名廠商份額第1，浪潮32套排名第2，曙光22套排名第3，華為、國防科技大學(xué)和國家并行計算機工程技術(shù)研究中心以2,4,2的裝機數(shù)量分列第4～6名，清華同方、聯(lián)泰集群和DELL各上榜1套并列第7。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。

Figure 2 Vendors system share圖2 制造商系統(tǒng)份額(前100套系統(tǒng))

Figure 3 Performance share圖3 性能份額(前100套系統(tǒng))

以聯(lián)想、曙光、浪潮為代表的國內(nèi)廠商是我國HPC系統(tǒng)的主要研制單位，占據(jù)了絕大部分市場份額，2018年國外廠商的系統(tǒng)全部退出TOP100榜單，為歷史首次，2019年的榜單再次為全國產(chǎn)機器，DELL公司提交一套安裝在武漢大學(xué)超算中心的異構(gòu)系統(tǒng)，但是Linpack性能為1 403 TFlops，未能上榜。今年DELL公司新增的系統(tǒng)上榜，為我國超算領(lǐng)域的多元化發(fā)展提供了動力。2020年榜單國產(chǎn)系統(tǒng)依然達到了99套，這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。

如圖3所示，從系統(tǒng)的性能份額來看，國家并行計算機工程技術(shù)研究中心依然以25%領(lǐng)先，聯(lián)想占據(jù)23%系統(tǒng)性能緊隨其后，超過了浪潮公司和國防科技大學(xué)的18%。國家并行計算機工程技術(shù)研究中心和國防科技大學(xué)2家單位的6套系統(tǒng)占據(jù)了全部系統(tǒng)總性能的43%。以國防科技大學(xué)、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(lǐng)先的超大規(guī)模計算系統(tǒng)，而以曙光、聯(lián)想和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(dāng)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)和大規(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(dāng)前高性能計算機的絕對主流，近6年來進入TOP100榜單的系統(tǒng)絕大部分都是采用集群架構(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(dāng)前世界排名前10的系統(tǒng)中有5套采用MPP架構(gòu)的事實，可見在高端系統(tǒng)中，MPP仍是重要的體系架構(gòu)。

除神威·太湖之光采用國產(chǎn)申威處理器，國防科技大學(xué)采用國產(chǎn)Matrix 2000加速卡，以及今年新增的一套DELL系統(tǒng)使用AMD處理器外，其余系統(tǒng)均采用了Intel Xeon系列處理器，IBM Power處理器依然未出現(xiàn)在榜單中。

專用加速計算部件首次出現(xiàn)在TOP100榜單中是2009年，由國防科技大學(xué)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，并以此獲得了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。基于Intel 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(xué)天河二號升級系統(tǒng)采用了Matrix 2000作為加速部件外，2020年有39套系統(tǒng)采用NVIDIA Tesla GPU或Intel Xeon Phi等進行性能加速，這一數(shù)據(jù)較去年的24大幅增加(如圖4所示)，其主要原因是今年新增的47套上榜系統(tǒng)中有15套系統(tǒng)配置了加速器。今年共有38套系統(tǒng)采用NVIDIA Tesla GPU，其中絕大部分用于與深度學(xué)習(xí)相關(guān)的計算。需要指出的是，Intel已宣布停產(chǎn)Xeon Phi。

Figure 4 Variations of accelerator and network from 2010 to 2020圖4 2010～2020年加速計算部件及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變化

關(guān)于專用加速計算設(shè)備的應(yīng)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(xué)、中國科學(xué)院等科研類機構(gòu)研制采用，且主要應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)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(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)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(luò)，千兆以太網(wǎng)5年前占據(jù)了100套系統(tǒng)中的70%，而自2017年以來連續(xù)3年不再在榜單中出現(xiàn)，已經(jīng)徹底退出歷史舞臺；相對應(yīng)地，萬兆以太網(wǎng)從6年前的16%到去年的65%再至今年的71%，仍然是高性能計算系統(tǒng)的絕對主流互連網(wǎng)絡(luò)。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(luò)繼續(xù)保持較高占比，盡管相比去年的29%，今年降低為23%，這一占比主要與榜單中用于科學(xué)計算的機器數(shù)目相當(dāng)。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(luò)環(huán)境。

5 應(yīng)用領(lǐng)域分析

圖5給出了2020年中國HPC TOP100中的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)數(shù)量統(tǒng)計。今年細化了互聯(lián)網(wǎng)這一大領(lǐng)域，包括云計算(17%)、互聯(lián)網(wǎng)(7%)、人工智能(1%)和電子商務(wù)(1%)，合計達到54%；傳統(tǒng)大規(guī)?？茖W(xué)和工程計算領(lǐng)域：科學(xué)計算(10%)、教育科研(2%)和工業(yè)制造(2%)，其他主要包括金融(7%)和電信(5%)等。

Figure 5 Application area share圖5 TOP100系統(tǒng)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的分布

依據(jù)應(yīng)用模式的不同，上述應(yīng)用可進一步大致歸并為3大類：

(1)數(shù)據(jù)分析挖掘類。Map Reduce、深度學(xué)習(xí)計算模型等基于數(shù)據(jù)的(非數(shù)值類)應(yīng)用。

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

(3)信息服務(wù)類。頻繁交互的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)類應(yīng)用。

2020年度，數(shù)據(jù)分析挖掘類應(yīng)用系統(tǒng)占據(jù)了所有系統(tǒng)的54%，較2019年的53%有所提升，接近2017年的56%；傳統(tǒng)的科學(xué)與工程計算系統(tǒng)由去年的36%降低到30%，與2018年持平，信息服務(wù)類系統(tǒng)比2018年有所增加，從11%提升到了15%。

6 部署機構(gòu)分析

2020年中國HPC TOP100系統(tǒng)部署機構(gòu)統(tǒng)計如圖6所示，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以45%占最大份額，相比2019年的33%大幅增加，其他企業(yè)(金融、制造業(yè)等)占17%，兩者合計為62%，這一數(shù)據(jù)與2019年的65%持平?？蒲性核统阒行母髡?3%和12%，這表明科學(xué)計算的系統(tǒng)數(shù)量繼續(xù)維持穩(wěn)定，也充分說明了高性能計算機、高性能計算技術(shù)的主要應(yīng)用還是在科學(xué)計算領(lǐng)域，并在多個領(lǐng)域尤其是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。今年的系統(tǒng)中有13%用于視頻公司，因此將其單獨列出，充分反映當(dāng)前以短視頻為代表的多種新興應(yīng)用的蓬勃發(fā)展。

Figure 6 System sites share圖6 TOP100系統(tǒng)部署機構(gòu)類別

Figure 7 China HPC TOP100 from 2002 to 2020圖7 2002～2020 年TOP100數(shù)據(jù)

7 小結(jié)和展望

2020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(yīng)用領(lǐng)域還是應(yīng)用規(guī)模均有著長足發(fā)展。圖7 給出了2002～2020年共19年來TOP100數(shù)據(jù)變化?？梢钥吹剑陙?，第1名系統(tǒng)受國家相關(guān)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)可望在2021年后出現(xiàn)；最后1名性能則呈規(guī)律性指數(shù)增長，但是幅度逐步減緩，2021年入榜性能預(yù)計在2.2～2.3 PFlops。