E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)的曙光

E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)的曙光

人類對(duì)認(rèn)識(shí)世界、自然規(guī)律、宇宙探索的好奇心以及對(duì)問(wèn)題規(guī)模和精度的追求，決定了人們對(duì)高性能計(jì)算能力的需求“不會(huì)止步”。在“新科”全球最快高性能計(jì)算機(jī)“太湖之光”以峰值性能125.436PFlops（即0.125436EFlops）刷新了最快運(yùn)算速度之后，人們又將目標(biāo)瞄向了E級(jí)——每秒可進(jìn)行百億億次數(shù)學(xué)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)（下文簡(jiǎn)稱“E級(jí)機(jī)”），它是當(dāng)下公認(rèn)的“高性能計(jì)算界的下一頂皇冠”。

E級(jí)機(jī)·戰(zhàn)略高度

好比“兩彈一星”一樣，E級(jí)機(jī)不僅是計(jì)算領(lǐng)域的重大科技創(chuàng)新，更是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志，已成為當(dāng)前各國(guó)競(jìng)相角逐的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。美國(guó)、歐盟、日本等都提出了自己的E級(jí)機(jī)研發(fā)計(jì)劃，中國(guó)也啟動(dòng)了E級(jí)原型機(jī)的研究計(jì)劃。研發(fā)E級(jí)系統(tǒng)和設(shè)備，我國(guó)必須掌握主動(dòng)權(quán)。

此外，E級(jí)機(jī)也并非“花瓶”和“面子工程”，它在事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題上都有用武之地。計(jì)算性能每提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，人類對(duì)它們的需求就提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。遠(yuǎn)看深處貴州黔東南的“開天巨眼”FAST工程，近觀困擾上下的大氣污染的監(jiān)測(cè)與治理，背后莫不需要更先進(jìn)高性能計(jì)算的助力。一言以蔽之，E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)利國(guó)利民。

更值得一提的是，E級(jí)計(jì)算設(shè)備除對(duì)各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提速換擋有貢獻(xiàn)、提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力之外，還將“向下流動(dòng)”促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，比如增強(qiáng)包括從智能手機(jī)到相機(jī)在內(nèi)的消費(fèi)電子產(chǎn)品計(jì)算系統(tǒng)的軟硬件性能等。

E級(jí)機(jī)·挑戰(zhàn)和難點(diǎn)

任何對(duì)極致的追求都如登山，越到高處越見難。更何況，E級(jí)機(jī)的建造難度并不僅僅在于速度的提升。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，擺在E級(jí)計(jì)算面前的挑戰(zhàn)有訪存墻、可靠性墻、能耗墻、擴(kuò)展性墻，以及生態(tài)環(huán)境、多領(lǐng)域應(yīng)用融合等阻礙，它們是突破E級(jí)計(jì)算的難點(diǎn)，需要采用全新的思路和方法去攻克。

在這些難點(diǎn)之中，有一點(diǎn)是最受關(guān)切和可量化的，那就是功耗。按照國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，E級(jí)機(jī)的功耗應(yīng)低于20MW。按照這一功耗目標(biāo)要求，未來(lái)E級(jí)機(jī)的能效比要達(dá)到50 GFlops/W。

這是一堵難以逾越的高墻，畢竟排在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)Green500榜單第三位、創(chuàng)造了大規(guī)模高性能計(jì)算機(jī)Linpack測(cè)試最好成績(jī)的“太湖之光”每瓦性能只有6 GFlops，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

E級(jí)機(jī)的生態(tài)環(huán)境和應(yīng)用也備受關(guān)注。沒(méi)有良好的、便于移植擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境和豐富的應(yīng)用，E級(jí)機(jī)也只是一臺(tái)機(jī)器。解決這一問(wèn)題，需要從其體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)路線上進(jìn)行提早規(guī)劃，以使未來(lái)的E級(jí)機(jī)能夠被充分應(yīng)用起來(lái)并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化復(fù)制。

E級(jí)機(jī)·中國(guó)力量

繼美國(guó)將E級(jí)機(jī)列入其“國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”，歐盟、日本相繼制定E級(jí)計(jì)劃之后，我國(guó)也計(jì)劃將E級(jí)機(jī)列為“十三五”規(guī)劃中的重頭戲，并將實(shí)現(xiàn)的時(shí)間表劃定為“十三五”收官之年（2020年）左右。

隨后，在科技部的支持下，中科曙光、國(guó)防科技大學(xué)和江南計(jì)算技術(shù)研究所三支高性能計(jì)算的國(guó)家隊(duì)，分別牽頭承擔(dān)了國(guó)家“十三五”高性能計(jì)算專項(xiàng)課題中E級(jí)超算的原型系統(tǒng)研制項(xiàng)目。7月4日，中科曙光在“2016曙光技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)”上宣布，正式啟動(dòng)由其牽頭的“E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)項(xiàng)目”的研制。

中國(guó)能否率先站上E級(jí)機(jī)的“世界之巔”？可以說(shuō)不僅有機(jī)會(huì)，而且機(jī)會(huì)很大。近年來(lái)，科技部等國(guó)家科技部門越來(lái)越重視高性能計(jì)算人才、資源、技術(shù)和材料的儲(chǔ)備，中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)在最新全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單上的總數(shù)量首次超越美國(guó)成為第一便是例證。而早在2004年，曙光4000就曾首度將中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)帶入全球TOP500前十名，曙光6000又令中國(guó)躋身世界前三甲，近年來(lái)中國(guó)軍團(tuán)更在全球TOP500的榜單上牢牢占據(jù)第一的位置。中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)徹底洗刷了“玻璃房子”之辱，成為世界高性能計(jì)算陣營(yíng)中不可忽視的一股力量。

在“E級(jí)高性能計(jì)算原型系統(tǒng)項(xiàng)目”中，曙光將圍繞一系列挑戰(zhàn)與難點(diǎn)，提出創(chuàng)新的E級(jí)機(jī)體系結(jié)構(gòu)，并從計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、存儲(chǔ)架構(gòu)、系統(tǒng)軟件、冷卻系統(tǒng)、應(yīng)用支撐等多方面提出E級(jí)系統(tǒng)的方案，為國(guó)產(chǎn)E級(jí)機(jī)的研制奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

按照預(yù)期目標(biāo)，在預(yù)研項(xiàng)目完成時(shí)，曙光將不僅在計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，更將針對(duì)上文提及的能耗、生態(tài)、應(yīng)用等社會(huì)廣泛關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，研制出能效比10GFlops/W以上的E級(jí)機(jī)原型系統(tǒng)；同時(shí)，采用自主可控的國(guó)產(chǎn)通用處理器和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，將使原型系統(tǒng)具有良好的生態(tài)環(huán)境和廣泛的應(yīng)用適用性；通過(guò)超融合計(jì)算和應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)，可以良好支撐高性能計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等多領(lǐng)域的應(yīng)用融合。

E級(jí)機(jī)·展望

每秒執(zhí)行百億億次計(jì)算，這是人類目前所建最快機(jī)器計(jì)算速度的數(shù)十、上百倍，E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)將是一個(gè)全新的“物種”——它們不僅在于快，更在于它們可以以全新的方式處理大數(shù)據(jù)。

E級(jí)機(jī)未來(lái)將在一些我們今天不能解決的問(wèn)題上大顯身手：它可以用來(lái)攻克癌癥；或者用于模擬人的心臟，以仿真各種藥物對(duì)心臟的影響；還可以用于天體物理大數(shù)據(jù)的處理、模擬宇宙的演化及無(wú)庫(kù)存核武器仿真等，在解決人類共同面臨的健康危機(jī)、能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化等重大問(wèn)題上發(fā)揮巨大作用。

這些前景光明的應(yīng)用也讓曙光等單位開展的E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)的研發(fā)變得意義非比尋常。一方面它可以使高性能計(jì)算機(jī)得以更高效更廣泛的應(yīng)用起來(lái)，真正在行業(yè)、企業(yè)中發(fā)揮其更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)價(jià)值；另一方面還可以提升和改善我國(guó)超算中心的商業(yè)化服務(wù)能力和盈利能力；而且，通過(guò)原型機(jī)及其采用的自主核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可以提升國(guó)產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)更全面的發(fā)展、更好的走向世界。

E級(jí)高性能計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)概念圖