日本超級計算機“富岳”強在易用性和通用性

文/王玲（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所政策與戰(zhàn)略研究中心）

隨著數(shù)字社會的到來，超級計算機作為不可或缺的研究基礎(chǔ)設(shè)施和引導(dǎo)未來發(fā)展的科技力量，成為美國、中國、日本等世界主要國家激烈角逐的對象。2020年11月17日，日本《產(chǎn)經(jīng)新聞》報道稱，日本理化學(xué)研究所（RIKEN）與富士通公司聯(lián)合研發(fā)的超級計算機“富岳”在“TOP500”“HPCG”“HPLAI”“Graph500”四項世界超級計算機排名評比中均再次獲得“世界第一”，成為連續(xù)兩期獲得“四項冠軍”的全球首臺超級計算機，也是日本自國產(chǎn)超級計算機“京”以來時隔8年半重新奪回世界第一的寶座。從演算速度來看，“富岳”達到每秒44.2京次（1京次=1億億次=1016次），約是排名世界第二的美國橡樹嶺國家實驗室超級計算機“Summit”演算速度的3倍以及中國超級計算機“神威太湖之光”演算速度的4.75倍。

一、“富岳”的研發(fā)設(shè)計注重易用性和通用性

除演算速度快之外，“富岳”的最大優(yōu)勢在于其易用性和通用性，全球企業(yè)和研究人員開發(fā)的很多軟件無需費力調(diào)整就能在“富岳”上使用。這是日本政府、理化學(xué)研究所以及富士通公司反思其上一代國產(chǎn)超級計算機“京”的商用化未取得進展加以改進的結(jié)果?！案辉馈笔侨蚴锥葕Z冠的ARM架構(gòu)超級計算機，搭載了富士通公司開發(fā)的高性能CPU——48核心“A64FXTM”，與以往超級計算機大多采用的Intel或AMD的x86、x64主流平臺不同，具有通用性，可以支持廣泛的軟件，還可以實現(xiàn)超并行、超低功耗以及主機架級的高可靠性。富岳共有158，976個節(jié)點，利用高效通信的網(wǎng)絡(luò)加以連接，峰值性能可達每秒100京次，最大應(yīng)用實效性能是“京”的100倍。富士通公司從2014年開始與日本理化學(xué)研究所進行協(xié)作設(shè)計，修改了CPU的基本設(shè)計，采用了智能手機CPU廣泛使用的英國ARM基本設(shè)計參數(shù)，操作系統(tǒng)采用了美國紅帽（Red Hat）公司開發(fā)的Linux，提高了“富岳”的兼容性。因此，“富岳”在每秒演算速度、產(chǎn)業(yè)軟件處理速度、大數(shù)據(jù)解析速度、人工智能學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)速度四個指標上都遙遙領(lǐng)先于世界上現(xiàn)有的其他超級計算機。日本研究人員利用“富岳”可在數(shù)天內(nèi)完成“京”花費1年左右時間開展的實驗，可在1周內(nèi)嘗試數(shù)萬種物質(zhì)。在硬件開發(fā)、制造和軟件開發(fā)方面，富士通公司與開源社區(qū)合作開發(fā)ARM生態(tài)系統(tǒng)，在“富岳”中靈活運用開源軟件，并積極推廣應(yīng)用“富岳”取得的成果。

二、“富岳”致力于成為世界最高水平的通用系統(tǒng)

日本政府之所以著手推動研發(fā)“富岳”作為“京”（2019年結(jié)束運行）的后續(xù)機型，是因為“京”的CPU和操作系統(tǒng)存在缺陷，導(dǎo)致用戶在使用“京”時，需要花功夫自己更換或者重新開發(fā)操作系統(tǒng)，操作便利性低于用戶預(yù)期。2014年，日本理化學(xué)研究所開始進行“富岳”的基礎(chǔ)設(shè)計和研發(fā)。目前，“富岳”處于試運營階段，預(yù)計2021年正式投入使用。“富岳”是“富士山”的別稱，日本意在用富士山的高度和遼闊來表示其新一代超級計算機的性能之高和應(yīng)用領(lǐng)域之廣?！案辉馈爆F(xiàn)被安置在日本理化學(xué)研究所計算科學(xué)研究中心（位于兵庫縣神戶市），總開發(fā)費用約1300億日元（約合84.5億元人民幣），耗電量為30兆至40兆瓦。日本政府希望充分利用“京”積累的技術(shù)、人力資源和應(yīng)用程序，把“富岳”建成世界最高水平的通用系統(tǒng)，用以解決各種社會和科學(xué)問題，并利用這一技術(shù)優(yōu)勢，戰(zhàn)略性地開展國際合作，實現(xiàn)世界上最先進的國際標準技術(shù)。富士通公司希望利用“富岳”開發(fā)培育的技術(shù)，實現(xiàn)其商用超級計算機的產(chǎn)品化。

三、“富岳”應(yīng)用前景廣闊

“富岳”的先進性能備受世界矚目和期待，有望成為日本解決各種社會和科學(xué)問題的先進研發(fā)基礎(chǔ)以及支撐日本實現(xiàn)未來“超智能社會”愿景的重要基礎(chǔ)，在日本建設(shè)健康長壽社會、發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)對防災(zāi)環(huán)保挑戰(zhàn)、強化產(chǎn)業(yè)競爭力、解決能源問題、進行核試驗?zāi)M等方面都會發(fā)揮重要作用。日本理化學(xué)研究所在“富岳”正式投入使用之前，就與文部科學(xué)省合作，利用“富岳”為醫(yī)療、減災(zāi)等領(lǐng)域的研發(fā)活動提供技術(shù)支持，特別是在應(yīng)對新冠疫情過程中，日本優(yōu)先試用“富岳”開展相關(guān)研究，如探明新冠病毒性質(zhì)、尋找可作為新冠病毒治療藥的物質(zhì)、改善新型冠狀病毒診斷方法和治療方法、弄清新冠病毒的傳染方式及其對社會經(jīng)濟的影響，其研究成果將向日本國內(nèi)外廣泛公開（參見表1）。2020年夏天，日本理化學(xué)研究所利用“富岳”篩選出日本現(xiàn)存的100多種可用于新冠病毒治療的藥物，為應(yīng)對新冠疫情做出貢獻。此外，日本理化學(xué)研究所和京都工藝纖維大學(xué)等組成的研究團隊使用“富岳”模擬了說話和打噴嚏時飛沫擴散過程，為新冠疫情防控研究發(fā)揮了作用。

為了盡早利用“富岳”的計算資源取得研究成果，日本文部科學(xué)省專門設(shè)立了《超級計算機“富岳”成果創(chuàng)造加速計劃》，在挑戰(zhàn)人類普遍問題及未來拓展、大力保障國民生命財產(chǎn)、強化產(chǎn)業(yè)競爭力、夯實研究基礎(chǔ)四個領(lǐng)域遴選出19項課題予以資助（參見表2）。這些課題可以優(yōu)先免費試用“富岳”的計算資源。日本國內(nèi)超級計算機市場規(guī)模預(yù)計每年可達上千億日元。日本致力于拓展全球市場，把“富岳”的價值推廣至全世界。

表1 “富岳”參與的應(yīng)對新冠疫情相關(guān)研發(fā)課題

有媒體分析指出，“富岳”能在2020年的排行榜上摘得桂冠，是因為超級計算機正迎來升級換代時期，“富岳”在中美兩國超級計算機開發(fā)空檔時期率先投入運行，其演算速度再次被中美超級計算機反超只是時間問題。美國和中國目前都致力于開發(fā)“EXA（100京）級”超級計算機。美國計劃在2021年將EXA級超級計算機“極光（Aurora）”投入運行。中國也有可能在2020年底以后啟動開發(fā)同等級別的超級計算機。在當前數(shù)字技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠影響的時代背景下，超級計算機作為必不可少的研究基礎(chǔ)設(shè)施，其發(fā)展速度將不斷加快，應(yīng)用需求也會與日俱增。大學(xué)、研究機構(gòu)和企業(yè)是否能夠利用超級計算機強大的計算能力和計算資源取得出色的研究成果將會成為社會關(guān)注的焦點。我國在著力提升超級計算機演算速度的同時，更應(yīng)重視超級計算機配套應(yīng)用軟件的研發(fā)，使超級計算機能夠物盡其用，在支撐科研攻堅的同時，做好迎接算力經(jīng)濟時代的準備。

表2 超級計算機“富岳”成果創(chuàng)造加速計劃