比拼浮點(diǎn)運(yùn)算速度超算排行榜是這樣“算”出來的

過國(guó)忠

6月17日，新一期全球超算500強(qiáng)榜單出爐，入選500強(qiáng)的所有超算浮點(diǎn)運(yùn)算速度都突破每秒千萬億次，中國(guó)超算也在前四占有兩席位置。普通計(jì)算機(jī)用指令運(yùn)算速度衡量計(jì)算性能，而超算通常用浮點(diǎn)運(yùn)算速度來衡量其性能。那么，什么是浮點(diǎn)運(yùn)算速度，超算榜單為什么會(huì)選擇浮點(diǎn)運(yùn)算速度來進(jìn)行比較？500強(qiáng)特別是前十的超算，科學(xué)家們都在想哪些辦法讓浮點(diǎn)運(yùn)算速度越來越快？節(jié)能環(huán)保是對(duì)超算的另一衡量指標(biāo)，超算要節(jié)能環(huán)保，最新的研究思路和實(shí)現(xiàn)策略又有哪些？6月19日，筆者帶著這些問題，走訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。

浮點(diǎn)運(yùn)算速度 衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一

“超級(jí)計(jì)算機(jī)被稱為‘國(guó)家重器，屬于國(guó)家戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國(guó)競(jìng)相角逐的科技最高點(diǎn)。目前，高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)都在加速超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)。”國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心主任楊廣文說。

“浮點(diǎn)運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每秒可以處理的浮點(diǎn)操作，通常用FLOPS來表示?！苯洗髮W(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副院長(zhǎng)柴志雷副教授說，超算榜單選擇浮點(diǎn)運(yùn)算速度作為對(duì)比參考，是因?yàn)槌?jí)計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的計(jì)算主要采用浮點(diǎn)數(shù)。

江蘇理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副院長(zhǎng)范洪輝副教授告訴筆者，浮點(diǎn)是指小數(shù)點(diǎn)位置不固定的數(shù)，它們執(zhí)行的算術(shù)運(yùn)算會(huì)消耗大量計(jì)算資源并可能產(chǎn)生誤差，所以單位時(shí)間內(nèi)浮點(diǎn)運(yùn)算的次數(shù)，是衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一。

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與大數(shù)據(jù)學(xué)院錢銀中博士表示，計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)和處理整數(shù)，通過整數(shù)乘以某個(gè)基數(shù)的整數(shù)次冪，是計(jì)算機(jī)表示實(shí)數(shù)尤其是小數(shù)的方法。

中國(guó)高性能計(jì)算重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)總體組組長(zhǎng)、中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院院長(zhǎng)錢德沛表示，選用浮點(diǎn)運(yùn)算速度作為超算運(yùn)算能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)榭茖W(xué)工程計(jì)算軟件中包含了大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算速度快的計(jì)算機(jī)通常也能夠更快運(yùn)行相關(guān)的科學(xué)工程計(jì)算軟件。

把復(fù)雜的工作細(xì)分超算界沒有最快只有更快

超級(jí)計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及高性能軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，大都可以達(dá)到每秒一萬億次以上。

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院牛杰博士介紹，超級(jí)計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在于把復(fù)雜的工作細(xì)分并分配給不同的處理器。根據(jù)阿姆達(dá)爾定律，超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)都集中在減少軟件序列化、用硬件在瓶頸上加速。

目前，世界排名前十的超算，基本都是通過優(yōu)化CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）之間的連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提升GPU和協(xié)處理器性能，增加內(nèi)存容量、擴(kuò)充存儲(chǔ)容量、增大網(wǎng)絡(luò)帶寬、借助運(yùn)算加速卡等方式提升算力，最終在高性能計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用支撐等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

柴志雷認(rèn)為，提升超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的浮點(diǎn)處理能力，不是單純讓浮點(diǎn)運(yùn)算本身更快，而是從整個(gè)系統(tǒng)的角度，提升芯片工藝，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)計(jì)算性能、存儲(chǔ)訪問性能、節(jié)點(diǎn)間通信等，從而使得系統(tǒng)的整體能力得到提升。目前，還經(jīng)常采用在系統(tǒng)中增加加速器等方法，來獲得更高計(jì)算效率。

國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心先進(jìn)制造部部長(zhǎng)任虎介紹，目前，提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度的方法主要有：提高芯片計(jì)算核心的時(shí)鐘頻率，增加芯片中計(jì)算核心的數(shù)量，通過多流水線、乘加融合（FMA）等技術(shù)增加單位時(shí)間內(nèi)處理浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。

Green500超算界針對(duì)能效的排行榜

“節(jié)能環(huán)保是衡量超算的另一指標(biāo)。超算中心是高性能計(jì)算機(jī)的規(guī)模應(yīng)用，功率密度高，且長(zhǎng)期運(yùn)行在高負(fù)荷率條件下，耗能極高。通過優(yōu)化軟硬件配置確實(shí)能降低一部分功耗，但最根本源頭是要研發(fā)計(jì)算性能優(yōu)異且超低功耗的高性能處理器。目前，如何實(shí)現(xiàn)低能耗的超算是全球科學(xué)家研究的熱點(diǎn)問題。”范洪輝告訴筆者。

牛杰介紹，超算界還有一種被稱為“Green500”的排行，就是以計(jì)算機(jī)每瓦功耗可以提供的計(jì)算速率為指標(biāo)，針對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)能效的排行榜。

從歷年的評(píng)測(cè)結(jié)果來看，刀片服務(wù)器一般比集群式服務(wù)器更節(jié)能，被廣泛使用在超算系統(tǒng)中。Green500排名靠前的前三大系統(tǒng)都采用了PEZY加速器，而前十大的其余系統(tǒng)則使用NVIDIA GPU作為加速器。其中，PEZY系統(tǒng)采用的是液體冷卻方式，也就是說，整個(gè)系統(tǒng)浸沒在液體中，這比透過板載空氣或水更具有節(jié)能效率。

如何讓超算實(shí)現(xiàn)低能耗？柴志雷認(rèn)為，低功耗計(jì)算也是超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的重要方面，從芯片制造、架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)多個(gè)層次都需要做大量的工作。比如在架構(gòu)設(shè)計(jì)上，可以通過增加異構(gòu)加速單元，提升系統(tǒng)的能效比。

范洪輝提出，重點(diǎn)應(yīng)降低每個(gè)部件的耗能，尤其是CPU的能耗。同時(shí)要改善存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)，減少數(shù)據(jù)行進(jìn)的距離;讓高性能存儲(chǔ)器向三維擴(kuò)展而不是朝二維延伸;超算要與閃存結(jié)合，來改變電壓或頻率等節(jié)省功率;其次，可以采用包括能模擬大腦內(nèi)神經(jīng)元操作的神經(jīng)形態(tài)電路或量子計(jì)算模式，創(chuàng)造出新型的計(jì)算機(jī)，比如生物計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)。

令人欣慰的是，我國(guó)正在通過多方面發(fā)力，讓超級(jí)計(jì)算機(jī)更節(jié)能環(huán)保。例如，曾獲中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)的“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，采用超低功耗的無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)、三維建模及虛擬仿真技術(shù)、智能分析技術(shù)等，有效消除了機(jī)房?jī)?nèi)局部熱點(diǎn)，解決了功耗特別大的難題，實(shí)現(xiàn)超算中心安全穩(wěn)定和節(jié)能的目標(biāo)。