2月10號(hào)最新出版的Science雜志發(fā)表文章首次披露了美國E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)A21系統(tǒng)的研制計(jì)劃

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在霸占世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜幾十年以后，近幾年美國都一直在追趕中國。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室正著力研制性能達(dá)200 PFlops的Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)，有望在今年夏天投入使用，并奪回TOP500榜單冠軍寶座。同時(shí)，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃提早兩年即在2021年完成美國首臺(tái)E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)A21的建設(shè)。各國間攻占E級(jí)超算系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，除了美國，中國、日本和歐盟也爭(zhēng)相投入，加快發(fā)展，爭(zhēng)奪超算領(lǐng)域的下一個(gè)重要的王冠。

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1957年，前蘇聯(lián)成功發(fā)射人類首顆人造地球衛(wèi)星Sputnik，開啟了美國和蘇聯(lián)長達(dá)二十年的太空競(jìng)賽。今天，美國超算的科研人員也面臨相同的科技競(jìng)爭(zhēng)，只不過這次的對(duì)手是中國。在霸占世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單幾十年之后，現(xiàn)在美國在榜單上的成績(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國。中國排名前兩位的超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力之和，比美國能源部（DOE）運(yùn)營的21臺(tái)超算系統(tǒng)的計(jì)算能力總和還要高。

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但現(xiàn)在，美國超算研究人員正在奮起直追。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室基本完成了超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit的研制。該系統(tǒng)有望在今年夏天全面投入使用，計(jì)算性能將達(dá)到200 PFlops，是目前排名第一神威太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)的兩倍。更讓人期待的是，本周，E級(jí)計(jì)算計(jì)劃（Exascale Computing Project，ECP）第二屆年會(huì)在諾克斯維爾召開，首次詳細(xì)介紹了下一代美國超級(jí)計(jì)算機(jī)A21的設(shè)計(jì)方案，它將于2021年在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室研制成功。該計(jì)算機(jī)是第一臺(tái)1000 PFlops（即1 EFLOPS或exascale）超級(jí)計(jì)算機(jī)，有望提前兩年實(shí)現(xiàn)E級(jí)計(jì)劃。

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這臺(tái)命名為“A21”的超算系統(tǒng)將由Intel和Cray公司聯(lián)合研制，預(yù)計(jì)將極大增強(qiáng)科學(xué)研究領(lǐng)域中的模擬能力，大到星系形成與演化研究，小到燃燒中氣體湍流模擬等。“有了E級(jí)超算系統(tǒng)，我們可以進(jìn)行更多的物理模擬實(shí)驗(yàn)”，新澤西普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Choong-Seock Chang說，他計(jì)劃使用A21來進(jìn)行聚變反應(yīng)堆內(nèi)的等離子體物理模擬。

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根據(jù)以下的發(fā)展趨勢(shì)圖，中國和日本仍有可能首先達(dá)到E級(jí)系統(tǒng)的研制目標(biāo)。但是即使中國、日本按計(jì)劃完成，超級(jí)計(jì)算機(jī)A21也可以防止美國被他們甩得太遠(yuǎn)。美國能源部去年秋季轉(zhuǎn)變了發(fā)展戰(zhàn)略，加快了發(fā)展步伐。最初，該機(jī)構(gòu)計(jì)劃采用“雙車道”的路線來實(shí)現(xiàn)E級(jí)發(fā)展之路，解決E級(jí)超算系統(tǒng)能耗極大等挑戰(zhàn)。E級(jí)超算系統(tǒng)的耗電可能與一個(gè)小型核電站的發(fā)電量相當(dāng)。

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此前，美國能源部同時(shí)資助兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)，作為未來E級(jí)系統(tǒng)研發(fā)的跳板。兩臺(tái)機(jī)器分別采取不同的方法來降低能耗。Summit的制造商IBM和NVIDIA專注于將CPU與GPU結(jié)合在一起，提高復(fù)雜視覺仿真等計(jì)算的速度和效率。另一方面，Intel和Cray則致力于增加并行的CPU核數(shù)，并實(shí)現(xiàn)它們之間的快速互連，原計(jì)劃是研制性能達(dá)到180 PFlops，名為Aurora的另一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

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2015年，美國能源部預(yù)計(jì)Aurora將在今年完成，第一臺(tái)美國E級(jí)超算系統(tǒng)將在2023年落地。隨后中國宣布了第十三個(gè)五年計(jì)劃，闡明了2020年底之前實(shí)現(xiàn)E級(jí)系統(tǒng)的目標(biāo)。如果那樣的話，美國不僅僅會(huì)落后, 而且會(huì)越落越遠(yuǎn)。

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現(xiàn)在美國能源部、國家核安全局、制造商都面臨E級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)的巨大壓力。能源部決定跳過Aurora，直接開始性能是Aurora五倍的A21的研制。雖然發(fā)布時(shí)間推遲到2021年，但由于A21是美國第一臺(tái)E級(jí)超算系統(tǒng)，這意味著美國將比原計(jì)劃提前兩年實(shí)現(xiàn)E級(jí)目標(biāo)。

有人認(rèn)為跳過Aurora這個(gè)過渡的機(jī)器直接研制A21有點(diǎn)冒險(xiǎn)，但也有人認(rèn)為沒有Aurora，也完全可以成功研發(fā)E級(jí)超算系統(tǒng)。

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目前A21的架構(gòu)細(xì)節(jié)仍然嚴(yán)格保密。即使是A21的軟件工程師，也要在簽署了保密協(xié)議后，才能參加介紹機(jī)器架構(gòu)的研討會(huì)議，包括本周的E級(jí)計(jì)算計(jì)劃第二屆年會(huì)。

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研究人員說，A21的架構(gòu)與以往的機(jī)器完全不同。其架構(gòu)設(shè)計(jì)將著重降低處理器之間的長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑥亩档拖到y(tǒng)能耗。新機(jī)器功耗大約為25至30兆瓦，僅僅是Summit的兩倍左右。當(dāng)被問到Intel是否會(huì)推出新型處理器結(jié)構(gòu)時(shí)，Chang說他完全相信Intel會(huì)這么做。

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資金問題是另一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。美國國會(huì)還沒有通過2018年財(cái)政預(yù)算，而一系列臨時(shí)決議的預(yù)算僅維持與上年度支出持平，暫時(shí)未批準(zhǔn)對(duì)研制A21機(jī)器等新項(xiàng)目提供資金支持。田納西大學(xué)的超算專家Jack Dongarra說，短期來說，資金還不會(huì)成為障礙，因?yàn)槊绹茉床康腅級(jí)計(jì)算計(jì)劃仍然有足夠資金支持相關(guān)研究。但是根據(jù)Hyperion Research的最新報(bào)告，A21計(jì)算芯片的研制將馬上啟動(dòng)，耗資約3到6億美元。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Horst Simon說，“資金能否在2021年到位？目前還不清楚。”

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從2013年起，中國一直維持著世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的地位。今年，美國將很有可能憑借Summit重奪世界第一。中國計(jì)劃2020年制造出第一臺(tái)E級(jí)計(jì)算機(jī)。

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中國E級(jí)計(jì)算機(jī)將動(dòng)搖Summit世界第一地位

2013年6月，國家超級(jí)計(jì)算廣州中心的“天河二號(hào)”奪冠，使美國在超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜上失去了世界第一的位置。今年夏天，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Summit將成為世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，有望使美國重新奪回超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜冠軍位置。

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中國國家高性能計(jì)算專家組組長錢德沛教授評(píng)論，“我們當(dāng)然希望可以長期擁有世界第一的機(jī)器，但所有人都明白，沒有一個(gè)國家能永遠(yuǎn)占據(jù)第一。”

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在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制競(jìng)賽中，各國一直交替前進(jìn)。中國在E級(jí)計(jì)算機(jī)研制成功后，有可能重返世界第一的寶座。在國家十三五計(jì)劃的支持下，中國預(yù)計(jì)將在2020年底發(fā)布第一臺(tái)E級(jí)計(jì)算機(jī)，將比美國計(jì)劃2021年發(fā)布的A21提早一年。而擁有“K”超級(jí)計(jì)算機(jī)的日本也在研制E級(jí)計(jì)算機(jī)，發(fā)布時(shí)間可能在2021或2022年。Hyperion Research最新的報(bào)告中顯示，歐盟可能在2021年也進(jìn)入E級(jí)計(jì)算行列。

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超級(jí)計(jì)算的國際競(jìng)爭(zhēng)并不止步于E級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)。Jack Dongarra介紹道“各國都在爭(zhēng)相加速超算科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，一旦取得一項(xiàng)技術(shù)的突破，就馬上投入到下一項(xiàng)的研究中。”中國、美國、日本、歐盟都在科研學(xué)科、國防技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品等廣泛領(lǐng)域不斷投入，加快發(fā)展，以期推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，科學(xué)發(fā)展，有效增強(qiáng)綜合國力的提升。

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