[科普中国]-最强大脑：“神威·太湖之光”

北京时间6月20日，TOP500组织在法兰克福世界超算大会（ISC）上发布了第47届世界超级计算机500强。国家超级计算无锡中心运营的“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首，成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机。此前，由我国国防科学技术大学研制的“天河二号”已创下“六连冠”的辉煌战绩，这也标志着我国超级计算机研制能力已位居世界先进水平。
本届世界超算大会（ISC）上，“神威·太湖之光”勇夺TOP 500冠军头衔成为世界上最快的计算机，天河二号力挫强敌守住第二名，中国超算上榜数量首次超越美国，可谓是拿奖拿到手软。
那么，站在世界之巅的“神威·太湖之光”究竟“神”在哪里？此次问鼎TOP500榜首对于我国超算领域发展又有怎样的意义？我们特邀参与了本次世界超算大会（ISC）中科院计算所张云泉研究员进行专题访问。

图1 “神威·太湖之光”问鼎TOP500榜首

关于TOP500的冷知识
本次中国超级计算机“神威·太湖之光”问鼎TOP500榜首，让无数中国人热血沸腾，相信很多人在激动的同时都会产生一个相同的问题，TOP500究竟是什么鬼？难道是超级计算机届的奥运会？
其实，国际TOP500组织是一个具有较长历史的用于发布全球已安装超级计算机系统排名的权威机构，以超级计算机基准程序Linpack测试值为序进行排名，每年发布两次，其目的是促进国际超级计算机领域的交流和合作，促进超级计算机的推广应用。张云泉介绍说，TOP500世界超级计算机排行榜最早可由德国慕尼黑大学的汉斯教授在1993年发起，每年发布两次，至今已有23年的历史，刚刚落幕的法兰克福世界超算大会（ISC）上已经是第47届。
此外，TOP500排行榜的发布场合也是国际权威。TOP500组织每年发布两次超级计算机排名情况，分别是在德国举办的世界超算大会（ISC）和在美国举办的世界超算大会（SC），代表着超级计算机的国际水平，同时也是各国超级计算机领域发展水平的标杆。
除了历史悠久、发布场合权威，TOP500排行榜采取的评审标准也是业界公认的权威标准，也就是根据超级计算机基准程序Linpack测试值进行排序。张云泉解释说，Linpack现已经成为国际上最为流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的benchmark（基准点）。通过超级计算机求解N元一次稠密线性代数方程组的测试，从而评价高性能计算机的浮点性能。这也是一个公开客观的评审标准，其评审结果是得到业界广泛认可的。
如果说奥运会是人类挑战生理极限的平台，那么世界超算大会（ISC）则是人类借助计算机挑战运算极限的阵地。所以，“神威·太湖之光”问鼎TOP500榜首也是对于中国超级计算机领域发展成果的肯定，让中国制造再次登上了国际舞台。

图2 TOP500组织标志

三招“必杀技”：中国超算显神威
超级计算机新科世界冠军——“神威·太湖之光”位于江苏省国家超级计算无锡中心，它是一套非常宏大的计算机系统，由四十余个高度集成的机柜组成，是名副其实的“最强大脑”。那么，作为世界上最快的超级计算机，“神威·太湖之光”一举拿下TOP500冠军的过人之处有哪些？张云泉为我们进行了解读，“必杀技能”有三招。
第一招——速度较量，唯快不破。张云泉表示，“神威·太湖之光”的峰值运算速度已经达到了每秒12.54亿亿次，其一分钟的计算能力相当于全球72亿人口同时用计算器连续不间断计算32年，这是全球第一台运行速度超过10亿亿次/秒的超级计算机。同时，其持续计算速度达到了每秒9.3亿亿次，是此前的世界冠军“天河二号”的3倍，是目前世界上持续计算能力最强的超级计算机。在超级计算机基准程序Linpack测试中，“神威·太湖之光”仅用4小时就完成了“天河二号”20多个小时才能完成的运算任务。也就是说，“神威·太湖之光”的运算速度和计算能力都“完胜”此前的 “天河二号”，这个世界冠军实至名归。

图3 “神威·太湖之光”性能参数

第二招——最强大脑，中国芯。“神威·太湖之光”之所以拥有世界最快运行速度，当然还要归功于其强大的硬件支持。张云泉介绍说，超级计算机主要是依靠提高并行度和设备的规模来提升计算速度，“神威·太湖之光”拥有超过1000万个处理器核，远远超过天河二号的300多万个，从而极大地提升了其运算规模和并行度。更加令人振奋的是，“神威·太湖之光”是首次完全用“中国芯”制造的中国最强大的超级计算机，此前“天河二号”使用的是英特尔至强处理器和Xeon Phi协处理器。作为“最强大脑”的“中国芯”，“申威26010”众核处理器这个只有5厘米见方的小小薄块，它集成了260个运算核心，数十亿晶体管，达到了每秒3万多亿次计算能力，单芯片计算能力相当于3台2000年全球排名第一的超级计算机。40960个“中国芯”同时工作，让“神威·太湖之光”登上了世界计算巅峰。

图4 申威26010众核处理器

第三招——绿色节能，又快又省。“神威·太湖之光”的功耗比达到了每瓦60.51亿次，在运行速度和持续计算能力均大幅提升的同时，其功耗不升反降，成为世界上计算能力最强但是最绿色环保的超级计算机。张云泉表示，以前TOP500的超级计算机，其功耗都比较大，而“神威·太湖之光”的持续性能和功耗比两项均属世界排名第一，并且远远地大幅领先其他超级计算机，这也体现出我国在超级计算机研制领域，不单单追求以“快”取胜，并且在自主可控、持续性能和绿色指标等综合性能方面都取得了突破性的进展，并且达到了新的高度。
超算用途广：比名次更重要的是造福人类
人类在体育竞技中，挑战生理极限的同时，更多的是获得精神上的激励与鼓舞，而作为超级计算机领域的“奥运会”，登顶TOP500榜首不是最终目的，造福人类才是“神威·太湖之光”的终极使命。
超级计算机在能源、航天、生物制药等领域已经有了丰富而卓有成效的应用，截至目前，国家超级计算无锡中心已经承接了国内30多个重大应用项目。其中，清华大学地球系统科学研究中心在“神威太湖之光”计算机系统上首次实现了百万核规模、高分辨率的地球系统数值模拟。截至目前，国家超级计算无锡中心已经承接了国内30多个重大应用项目。其中，清华大学地球系统科学研究中心在“神威太湖之光”计算机系统上首次实现了百万核规模、高分辨率的地球系统数值模拟。
张云泉还介绍说，2016年度戈登贝尔奖来自全球的6个提名中，“神威太湖之光”就占了3个，分别涉及大气、海洋、材料三个领域的应用。而戈登贝尔奖作为计算机高性能应用领域的最高荣誉，一直有超算领域的诺贝尔奖之称，“神威·太湖之光”的出现有望实现我国在这个奖项上零的突破。

图5 中科院计算所张云泉研究员

超级计算机，被称为“国之重器”，超级计算属于战略高技术领域，是世界各国竞相角逐的科技制高点，也是一个国家科技实力的重要标志之一。自我国863计划实施以来，国家高度重视并且支持超级计算系统的研发，但由于基础薄弱起步较晚，在国际舞台中一直受制于人，美国更是在2015年宣布对我国禁售高性能处理器。而“中国芯”“申威26010”的问世，也成为我国自主研发打破30年技术封锁的一柄利器。“神威·太湖之光”勇夺榜首，可以说为我国超级计算机领域的发展打了一剂强心针。