全球超算競賽,美國贏了嗎

馬俊 陳山

美國最新超算，性能強在哪兒?

國際超算大會（ISC）5月30日在德國漢堡發(fā)布了最新版全球超算TOP500榜單，美國橡樹嶺國家實驗室的新型超算“前沿”（Frontier）以壓倒性優(yōu)勢成為全球最快超算。尤其讓外界關(guān)注的是，“前沿”也是全球首臺正式發(fā)布的每秒浮點運算速度超過百億億次的超算（簡稱“E級超算”）。在與中國爭奪全球首臺E級超算的“軍備競賽”中獲勝，美國媒體的興奮溢于言表。

美國《紐約時報》5月30日稱，“前沿”讓美國在超算領(lǐng)域重新奪回了令人艷羨的世界第一，對于這項在科學、醫(yī)學和其他領(lǐng)域發(fā)揮董大作用的技術(shù)來說，是一大里程碑。根據(jù)全球超算TOP500排行榜數(shù)據(jù)，“前沿”將超算的.算力計量單位推進了一步——原先用于描述超算算力的計算單位是（Petaflop/s）即每秒浮點運算千萬億次，而“前沿”登頂榜首的同時，也首次讓每秒浮點運算能力百億億次（Exaflop/s）出現(xiàn)在全球超算TOP500排行榜上。它的理論運算峰值為1.685 Exaflop/s。在Linpack基準測試中為1.102 Exaflop/s?！薄把夭粌H成為有史以來最強大的超算，也是第一臺真正具有百億億次浮點運算能力的超算”?！度毡窘?jīng)濟新聞》5月31日也不無羨慕地說，“前沿”與2020年6月開始連續(xù)4次蟬聯(lián)全球超算TOP500榜首的日本“富岳”Linpack基準測試442.01 Petaflop/s拉開兩倍以上的差距。

在美國“前沿”和日本“富岳”之后，排在第三位的是歐洲高性能計算聯(lián)合會在芬蘭建造的“LUMI”。根據(jù)該榜單，在排名前十的全球最快超算中，美國占據(jù)了5席，而中國僅占有兩席，分別是排名第六的“神威?太湖之光”和第九的“天河二號”。

全球超算TOP500排行榜每半年更新一次，近年來中國、日本和美國超算都曾奪得“全球最快超算”的桂冠。但為何這次“前沿”奪冠如此受到外界關(guān)注呢？中科院計算所研究員張云泉5月31日接受《環(huán)球時報》記者采訪時表示，關(guān)鍵就在于“前沿”是全球首款公開發(fā)布的E級超算。張云泉介紹說，業(yè)內(nèi)對E級超算標準有著嚴格定義，要求以高精度Linpack基準測試作為其性能的衡量標準，這也是全球超算TOP500榜單的參考基礎(chǔ)。同時，E級超算的功耗還不能超過40MW。

對于E級超算，業(yè)內(nèi)認定分為三個層次：第一層是超算的運行峰值性能突破Exaflop/s，二層是在Linpack基準實際測試中突破Exaflop/s“前沿”實際已經(jīng)達到這個層次。第三層的要求更高，在應(yīng)用運用中的速度超過Exaflop/s。

張云泉表示，“前沿”的性能指標的確相當不錯。但它在體系架構(gòu)上沒特別的驚喜，沿用了中國率先開創(chuàng)的CPU+的技術(shù)路線?！罢嬲屓烁械匠泽@的是前沿'的功耗出乎外界意料的低,只有20MW還不到業(yè)內(nèi)40MW標準的一半?！濉?/p>

為何各國爭相研制E級超算

業(yè)內(nèi)對于E級超算的標準，如此嚴格，從側(cè)面也證明了各國對它的重視。美國甚至將“搶先研制出E級超算”當成美國保持科技領(lǐng)先的國家形象工程。張云泉介紹說，美國目前在同時推進三個E級超算項目。除了“前沿”外，美國能源部下屬的阿爾貢國家實驗室在承建另一臺美國E級超算“極光（Aurora）”，它采用英特爾公司專為融合人工智能技術(shù)和高性能計算而設(shè)計的一系列新技術(shù)。美國正在研制的第三臺E級超算是更為雄心勃勃的EI Capitan,號稱峰值性能要達到2 Exaflop/s以上。

張云泉表示，除了美國和中國外，日本、歐洲、俄羅斯和印度也都有研制E級超算的規(guī)劃。但從目前看來，即便是資金和技術(shù)能力最強的日本也已遭遇挫折?！案辉馈眱H在特定情況下（用于人工智能模型訓練的混合精度Linpack基準測試）運算速度能突破1 Exaflop/s，而且它的功耗特別高，達不到級超算的標準?！丁∪毡窘?jīng)濟新聞》稱，在后"富岳"時代，日本要想繼續(xù)研制E級超算需要投資1000億日元以上，“財政狀況嚴峻的日本難以與中美等國持續(xù)展開超算競賽”。

為何各國不惜重金也要爭先研制E級超算呢？張云泉介紹說，首先，人類對于計算速度的追求是永無止境的。為破解自然科學的很多難題，需要計算非常復(fù)雜的方程組,對于運算速度的要求非常高。他舉例說，超算在天氣預(yù)報模型中有廣泛應(yīng)用，它的計算速度越快，對于復(fù)雜氣象的預(yù)報精度也就越同。

超算還被廣泛用于創(chuàng)新藥、新材料等領(lǐng)域。日本“富岳”就被用于篩選適合治療新冠肺炎的藥物，它可以極大提升效率，降低創(chuàng)新藥的成本。

此外，目前新興的人工智能技術(shù)也成為超算大展手腳的新戰(zhàn)場。從發(fā)展趨勢來看，“前沿”在設(shè)計上專門進行了優(yōu)化，既可以支持科學研究的高精度計算，也可以支持人工智能技術(shù)的低精度計算。

除了民用領(lǐng)域，張云泉強調(diào)說，美國如此尸重視E級超算，還在于它被美國看作是國家安全方面的尖端利器?！鞍ê宋淦鳌⒏叱羲亠w行器的研制和信息安全領(lǐng)域，都需要規(guī)模巨大計算精度高的超算?？梢哉f，誰的超算速度快，誰就掌握了主動權(quán)。”例如美國運行速度最快的幾臺超算都位于美國能源部下屬的幾個國家實驗室中，后者都有核武器的研制背景。外界普遍認為，美國正利用這些超算進行模擬測試核爆炸，并研制新型核武器。

此外，外界猜測美國在網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域也大量使用超算。按照美國之前被曝光的“棱鏡”計劃，美國通過各種渠道獲得的海量數(shù)據(jù)，必須依靠超算進行破解和大數(shù)據(jù)分析。此前有網(wǎng)絡(luò)安全專家曾透露，超算的運算速度快，意味著它可以暴力破解對手的加密程序，導致原本有效的信息安全系統(tǒng)不再安全了。因此哪怕是從爭奪信息安全控制權(quán)的角度出發(fā)，美國也對其他國家擁有比美國更快的超算保持高度警惕?！?/p>

中國超算“排名下降”，真相到底如何

外界注意到，近年日本和歐洲的新超算接連問世，全球超算TOP500榜單上的中國超算排名接連下降。這是中國超算不行了嗎？

此前公開報道顯示，中國至少有“神威”E級原型機、“天河三號”E級原型機和曙光E級原型機三個不同技術(shù)路線的原型機系統(tǒng)完成交付。《紐約時報》　稱，有專家透露“中國去年已經(jīng)研制出兩臺E級超算，其運算速度超過了'前沿”。而全球超算TOP500排行榜上之所以沒有中國E級超算的身影，是因為中國方面沒有提交相關(guān)數(shù)據(jù)。據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，全球超算TOP500采用企業(yè)自主提交超算資料，然后由國際超算大會進行排名的模式，如果中國企業(yè)沒有提交相關(guān)資料，相關(guān)榜單上就不會更新。英國《金融時報》近日聲稱，中國首臺E級超算已運行一年多，第二臺E級超算也開始運行，卻都沒有參與全球超算排名，也沒有正式亮相。但值得注意的是，中國去年拿到全球高性能應(yīng)用領(lǐng)域最高獎“戈登?貝爾”獎。據(jù)了解，如果不是在世界最快超算上做出的成績,是無法拿到“戈登?貝爾”獎的。

《環(huán)球時報》記者注意到，近年來美國在超算領(lǐng)域?qū)χ袊l(fā)起一系列針對性動作。2019年，美國曾對中國5家與超算相關(guān)的實體進行出口管制，一年后又將7家中國相關(guān)實體列入“實體清單”。美方的公開借口是它們涉嫌“破壞軍事現(xiàn)代化的穩(wěn)定”，但美國商務(wù)部官員告訴美媒，它們都與“中國試圖建造世界上第一部E級超算”有關(guān)。由于全球超算TOP500榜單上表現(xiàn)突出的中國企業(yè)可能被美國列入黑名單、遭到更嚴厲的制裁，直接導致的結(jié)果就是中國企業(yè)不愿意提交最新的超算數(shù)據(jù)。但即便面臨美國的打壓，在全球超算TOP500排行榜中，中國上榜總數(shù)為173臺，與上屆持平，而美國則從150臺下降到126臺?！　?/p>