壓力之下，中國超算如何實(shí)現(xiàn)突圍

Cloud

如果聽說過超級(jí)計(jì)算機(jī)概念的讀者朋友，相信都曾有過這樣的想法“用它來玩游戲是不是很爽啊？”事實(shí)上，超級(jí)計(jì)算機(jī)是用來做大型計(jì)算的，比如對(duì)新型武器實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬、對(duì)重大工程項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真等，這些計(jì)算往往涉及到非常巨量的數(shù)據(jù)，如果用你的個(gè)人電腦來計(jì)算，可能要花費(fèi)數(shù)年、數(shù)十年甚至是上百年的時(shí)間，而超級(jí)計(jì)算機(jī)可能只需要一天甚至幾小時(shí)，所以，一個(gè)國家可以組建多高算力的超級(jí)計(jì)算機(jī)，就是體現(xiàn)國家科技實(shí)力的重要手段。

不過，超算也是基于芯片來構(gòu)建的，這恰好又是我們中國相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，早在2013年，天河二號(hào)拿下全球超算TOP500的第一名之后，2015年美國就開始禁售英特爾至強(qiáng)芯片，2016年又用“實(shí)體清單”打擊了海光基于第一代AMDZen架構(gòu)的服務(wù)器芯片，2019年再次把曙光、海光微、江南計(jì)算技術(shù)研究所等超算相關(guān)中國企業(yè)列入實(shí)體清單，更在2021年把申威、飛騰以及數(shù)個(gè)國家超級(jí)計(jì)算中心列入“實(shí)體清單”……顯然，多次出手打擊的原因就是中國在超算領(lǐng)域的爬坡速度太快，而國產(chǎn)CPU主要在指令集授權(quán)、CPU核心技術(shù)和設(shè)計(jì)工具及CPU生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備上很容易受到鉗制。不過凡事也有例外，在這三個(gè)方面，國產(chǎn)CPU申威反倒做足了準(zhǔn)備，并沒有要認(rèn)慫的意思。

芯片架構(gòu)自主化是破局的關(guān)鍵

在自主可控這條道路上，申威的底氣來自未雨綢繆，早在美國還沒有開始針對(duì)中國超算開啟“封殺令”的時(shí)候，無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所就已經(jīng)預(yù)料到了可能會(huì)存在的風(fēng)險(xiǎn)，在自研超算CPU時(shí)刻意回避了x86、ARM、MIPS、RISC-V這幾個(gè)熱門主流架構(gòu)，選擇了當(dāng)時(shí)已經(jīng)日薄西山的DEC公司Alpha架構(gòu)和Alpha21264指令集，當(dāng)時(shí)這個(gè)架構(gòu)早已不再更新且過了專利期限，免去了被停止授權(quán)的后顧之憂。所以在2010年，無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所就成功推出了申威SW1600CPU，并成功搭載到神威藍(lán)光上，使得中國成為繼美國日本之后，第三個(gè)采用自主CPU構(gòu)建每秒千萬億次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的國家。

申威26010異構(gòu)眾核處理器架構(gòu)圖

后來，因?yàn)锳lpha架構(gòu)實(shí)在過于老舊，無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所重新研究了全新的SW26指令集，并推出了申威26010CPU，與其他國產(chǎn)處理器相比，性能完全走在了前列，甚至在世界范圍內(nèi)都是靠前的，在實(shí)際使用效率上不見得就會(huì)比英特爾至強(qiáng)Phi低多少，某些應(yīng)用場(chǎng)合甚至可能領(lǐng)先。基于這些優(yōu)勢(shì)的情況下，2016年搭載申威26010的神威·太湖之光拿下了全球第一的位置。而且在操作系統(tǒng)上也采用了基于Linux開源代碼的國產(chǎn)神威睿思，而且在工藝上只需要28nm，比當(dāng)時(shí)最新的14nm要成熟不少，包括EDA工具在內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)完全自主。事實(shí)上對(duì)于國產(chǎn)芯片來說，為保障生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相對(duì)安全，放棄對(duì)最先進(jìn)工藝的追求也實(shí)屬無奈之舉，像龍芯的多款CPU甚至都會(huì)采用境內(nèi)外多工藝互相備份的方式來防止受限。

硬軟件仍被包圍，急需時(shí)間走出困境

雖然申威在超算架構(gòu)上打響了國產(chǎn)第一槍，但總體來說，當(dāng)年國家超算中心的三駕馬車：申威的Alpha、鯤鵬/飛騰的ARM以及海光的x86，至少目前來看后兩者都以外購IP和設(shè)計(jì)外包等因素而陷入了“實(shí)體清單”的困境當(dāng)中，比如天河三號(hào)所使用的飛騰FT-2000Plus就采用了臺(tái)積電的16nm制程，一旦被暫停供貨也無可奈何。

更重要的是，大部分情況下超算都是用于運(yùn)行復(fù)雜情況的仿真軟件，尤其是面對(duì)一些需要精確模擬的項(xiàng)目時(shí)，軟件的重要性不亞于硬件，但問題在于目前大多數(shù)仿真軟件都來自國外，就很容易陷入超算硬件雖然可以實(shí)現(xiàn)可控可信，但配套軟件又跟不上的窘境，這些問題都是不容忽視，甚至可以說是迫切需要解決的。

在面對(duì)如模擬地球氣候這樣的需求時(shí)，超算的作用才能真正顯現(xiàn)

比如完全國產(chǎn)的神威·太湖之光，因?yàn)榈讓舆壿嬇c傳統(tǒng)的x86并不相通，造成大量的科研軟件無法在系統(tǒng)上運(yùn)行，所以中國超算還需要面臨軟件代碼理解、轉(zhuǎn)換甚至重新編譯的這個(gè)過程，如果想要運(yùn)行全球氣候模式的高性能模擬，就需要重新編譯地球系統(tǒng)模式，這些應(yīng)用的代碼有近百萬行，是過去幾十年各國氣候?qū)W家對(duì)全世界大氣、海洋和陸地圈層變化機(jī)制的理解，這個(gè)編譯的工程量之大可想而知，若不是真正滿腔熱血，恐怕難以堅(jiān)持下來……借毛主席的一句詩來說就是“鷹擊長空，魚翔淺底，萬類霜天競(jìng)自由”。