探訪(fǎng)“極光”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，超算競(jìng)賽未來(lái)走向如何？

新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)競(jìng)賽日益激烈。3月美國(guó)能源部宣布，美國(guó)首個(gè)“E級(jí)”新一代超算“極光”號(hào)2021年將在位于芝加哥的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室上線(xiàn)。超算保有量位居世界第一的中國(guó)將在2020年、日本將在2021年前后上線(xiàn)該級(jí)別的新一代機(jī)型。在中美高科技主導(dǎo)權(quán)之爭(zhēng)日益激化的情況下，決定未來(lái)國(guó)力的超算競(jìng)賽的走向受到了各方關(guān)注。

E級(jí)新一代超算每秒可完成“1E=1百億億(10的18次方)”次浮點(diǎn)運(yùn)算。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室介紹稱(chēng)，相當(dāng)于“全球70億人同時(shí)在每秒內(nèi)每人運(yùn)算1.5億次”。

有望成為美國(guó)首臺(tái)E級(jí)超算的“極光”由美國(guó)能源部撥款5億美元，委托半導(dǎo)體巨頭英特爾公司和超算制造商克雷公司生產(chǎn)，將為航天領(lǐng)域的模擬試驗(yàn)、個(gè)性化醫(yī)療、太陽(yáng)能電池研發(fā)提供幫助。

文章作者從芝加哥往西南方向驅(qū)車(chē)約45分鐘，訪(fǎng)問(wèn)了即將引入“極光”的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。這里環(huán)境優(yōu)美，多座建筑分布在約6平方公里的廣闊園區(qū)內(nèi)，仿佛大學(xué)的校園一樣。正在建設(shè)當(dāng)中的“極光”號(hào)專(zhuān)用大樓也映入眼簾。

成立于1946年的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)能源部下屬的17個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之一，由芝加哥大學(xué)運(yùn)營(yíng)。世界上首次成功實(shí)現(xiàn)可控核裂變的物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米創(chuàng)設(shè)的“曼哈頓計(jì)劃”是其起源。

“是美國(guó)公民嗎?”

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安檢之后車(chē)輛才能被放行，在設(shè)有傳達(dá)室的建筑內(nèi)進(jìn)行訪(fǎng)客登記。也許是為了保密管理，文章作者還被問(wèn)過(guò)“您是美國(guó)公民嗎?”。順利拿到入館證后，文章作者前往計(jì)算科學(xué)部門(mén)的TCS大樓。

前來(lái)迎接的研究人員邁克爾·帕普卡留著長(zhǎng)長(zhǎng)的胡子，讓人印象深刻。他擔(dān)任超算部門(mén)ALCF的主任，帶文章作者參觀了目前正在運(yùn)行的運(yùn)算速度世界排名第21的“Mira”。

一進(jìn)入機(jī)房，耳邊就傳來(lái)用于降溫的空調(diào)系統(tǒng)的巨大聲響。48臺(tái)黑色機(jī)柜一字?jǐn)[開(kāi)，表面涂著讓人聯(lián)想到太空的鮮艷圖案。“Mira”的運(yùn)算速度為“極光”的100分之1。

帕普卡介紹說(shuō)，投入高性能超算是當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)的超算應(yīng)用范圍主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，但近年來(lái)增加了AI(人工智能)、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用工程領(lǐng)域，需求在迅速擴(kuò)大，處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。

美國(guó)對(duì)新一代超算的研發(fā)可追溯到前總統(tǒng)奧巴馬執(zhí)政時(shí)期。奧巴馬于2015年頒布總統(tǒng)令，制定了國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃(NSCI)。在美國(guó)能源部、國(guó)防部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的主導(dǎo)下啟動(dòng)了研發(fā)計(jì)劃。隨后特朗普政府繼承了這一計(jì)劃，如今能源部下屬的3個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正計(jì)劃上線(xiàn)超算。在美國(guó)國(guó)內(nèi)，各方都在爭(zhēng)取成為“美國(guó)首家”而展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

超算全球500強(qiáng)榜單“TOP500”的創(chuàng)設(shè)成員、田納西州大學(xué)教授杰克·東加拉(Jack Dongarra)教授透露，在美國(guó)，除阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室外，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也計(jì)劃在2021年上線(xiàn)“前沿”(Frontier)號(hào)，承擔(dān)核試驗(yàn)等任務(wù)的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則計(jì)劃2022年上線(xiàn)“El Capitan”號(hào)，這些均為E級(jí)超算。但在研發(fā)過(guò)程中有可能遇到無(wú)法預(yù)料的障礙。杰克·東加拉教授指出，“最先登頂?shù)奈幢鼐褪前⒇晣?guó)家實(shí)驗(yàn)室”。

讓我們回顧一下超算的競(jìng)賽歷史。TOP500榜單每年發(fā)布2次，分別在6月和11月公布處理性能的排名。該榜單創(chuàng)設(shè)于1993年，至今已過(guò)去了四分之一世紀(jì)。在創(chuàng)設(shè)之初，美國(guó)占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在過(guò)去10年中國(guó)迅速發(fā)力，確立了優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)(NUDT)憑借“天河一號(hào)”于2010年11月首次登上榜首。隨后一度被美國(guó)超越，但2013～2017年的5年間，升級(jí)后的“天河二號(hào)”和采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)的“神威太湖之光”接連占據(jù)榜首，2016年中國(guó)首次在超算數(shù)量上超過(guò)美國(guó)。

與此同時(shí)，美國(guó)在2016年的最高名次降至第3位，2017年11月再降至第5，但隨后發(fā)起反攻，2018年6月憑借橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“頂點(diǎn)”再次奪回榜首位置。在當(dāng)年11月的最近一次排名中繼續(xù)保持第一，美國(guó)也在榜單前10中占到了一半。

中國(guó)的超算保有量位居第一

美國(guó)盡管奪回了性能榜首的位置，但在保有量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國(guó)。在TOP500榜單上，中國(guó)達(dá)到227臺(tái)，占到總數(shù)的45%，而美國(guó)只有109臺(tái)，占比25%，為歷史最低。

日本的保有量為31臺(tái)，在中美之后位列第3。NEC的“地球虛擬器”曾在2002年6月至2004年6月期間占據(jù)榜首，隨后“京”號(hào)也于2011年登上榜首。在截至2018年11月的超算節(jié)能排行榜“綠色500”上，日本的“菖蒲”(Shoubu)位居第一，現(xiàn)在正計(jì)劃2021年前后將E級(jí)超算“Post京”上線(xiàn)。

新一代超算正在拓展人類(lèi)未來(lái)的可能性。有望在破解宇宙之迷、遺傳基因和人類(lèi)大腦研究、改變產(chǎn)業(yè)界的新材料及新能源開(kāi)發(fā)、國(guó)防等領(lǐng)域推動(dòng)革命性的研究。

超算競(jìng)賽的未來(lái)會(huì)是怎樣的走向呢?中國(guó)正在制造3臺(tái)Pre Exascale(達(dá)到E級(jí)之前的階段)的原型機(jī)，有人預(yù)測(cè)“最先登頂?shù)暮芸赡苁怯?jì)劃在2020年上線(xiàn)的中國(guó)。美國(guó)恐怕是第二個(gè)”。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，中國(guó)的崛起和美國(guó)的衰落趨勢(shì)仍將持續(xù)，“中國(guó)的優(yōu)勢(shì)在不斷擴(kuò)大”。與眼前商業(yè)利益沒(méi)有直接關(guān)系的科學(xué)話(huà)題不容易受到廣泛關(guān)注，但隨著中國(guó)靜悄悄地?cái)U(kuò)大優(yōu)勢(shì)，特朗普肯定有坐不住的時(shí)候。