中國超算芯片是怎樣一步步追上英特爾的?

 2015年4月，美國商務(wù)部決定對中國四家國家超級計算機中心禁售至強PHI計算卡，當(dāng)時各種唱衰中國超算的聲音不絕于耳。即便天河2號在2015年國際超級計算機大會上蟬聯(lián)5連冠，但因使用美國Intel公司的CPU而飽受一些別有用心之人的詬病，不少人聲稱沒有美國的CPU，天河2號要完蛋了。

現(xiàn)實卻截然相反：

在ISC 2015發(fā)布會上，國防科大公布天河2A的升級方案，將采用國防科大自主研發(fā)的矩陣2000(GPDSP)替代至強PHI計算卡。矩陣2000采用40nm制程，擁有16核，主頻1G，雙精浮點2.4TFlops，功耗為200W。

新年伊始，從科技部公開的文章中透露出好消息——由上海高性能集成電路設(shè)計中心設(shè)計的國產(chǎn)眾核芯片已達到世界先進水平(美國情報部門對該芯片非常感興趣，因此筆者將其稱為國產(chǎn)眾核芯片)。該眾核芯片采用28nm制程，峰值雙精度浮點運算速度超過每秒3萬億次(3TFlops)，完全追平了Intel第二代Xeon Phi(也是Intel最好的眾核芯片)——第二代至強PHI計算卡產(chǎn)品代號“Knights Landing”，采用了14nm工藝，雙精度浮點性能超過3TFlops，功耗250-300W。

1月22日，新華社報道了一則更為振奮人心的消息——中國計劃今年在天津啟動新一代百億億次(百億億次是1000P，天河2號為55P，若不是記者筆誤，就真心是黑科技了)超級計算機的研制規(guī)劃......與此同時，國防科大正在設(shè)計新一代飛騰芯片。

由此可見，美國商務(wù)部的禁售計算卡的行為根本沒有對中國超算發(fā)展起到多大制約作用。其實，在過去半個世紀的時間里，歷史已經(jīng)證明了毛澤東的那句話——“封鎖吧，封鎖十年八年，中國的問題就解決了”。凡是能買到的都很難做出來

在毛澤東時代，中國擁有自己的半導(dǎo)體工業(yè)，掌握了從單晶制備、設(shè)備制造、集成電路制造的全過程技術(shù)，中國制造的計算機也都有中國芯。

凡是買不到的都做出來了

中蘇論戰(zhàn)后，美蘇同時對中國進行技術(shù)封鎖，迫使中國走上獨立自主。

在美國和蘇聯(lián)共同技術(shù)封鎖下，哈軍工于1962年成功研發(fā)出晶體管，使中國比美國晚8年進入晶體管時代，中國第一臺全晶體管計算機441B-I于1964年誕生，相對于美國于第一臺全晶體管計算機RCA501晚了6年。1965年，中國研制出第一塊集成電路，比美國晚了5年進入集成電路時代。1972年，中國研制出大規(guī)模集成電路比美國晚4年實現(xiàn)了從中小集成電路發(fā)展到大規(guī)模集成電路的跨越。

1992年銀河2誕生。1993年，曙光1號誕生，曙光1號研制成功后3天，西方解除對中國高性能計算機出口限制。在堅定了自主發(fā)展超算的決心后，中國超算捷報頻傳——先后自主研發(fā)曙光1000、曙光2000、曙光3000、曙光4000、曙光5000、曙光6000、銀河3、銀河4、天河1號、天河2號、神威藍光等超算，并逐步形成了天河(國防科大)、神威、曙光(曙光公司)三大系列超算。

神威藍光

與此同時，國產(chǎn)超算的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的國產(chǎn)化也在穩(wěn)步推進——天河2號的硬件系統(tǒng)除了高速運算系統(tǒng)中采用了Intel的E5和至強PHI之外，高速互連通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)(I/O 管理結(jié)點和 I/O 存儲結(jié)點)、維護監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計等基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，在軟件系統(tǒng)方面，操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、并行程序開發(fā)環(huán)境、科學(xué)計算可視化系統(tǒng)大多實現(xiàn)國產(chǎn)化。而神威藍光超算則實現(xiàn)了除冷卻系統(tǒng)之外的軟件和硬件的全國產(chǎn)。

更為重要的是，這些超算并非像某些人說的為爭奪世界第一的虛名建設(shè)，而是實實在在的用于彈道計算、核物理研究、氣候氣象、海洋環(huán)境、數(shù)值風(fēng)洞、碰撞仿真、生命科學(xué)、石油物探等科研領(lǐng)域。另外，國產(chǎn)超算/高性能計算機還廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報和影視娛樂。

曙光公司的高性能計算機在中石油、中石化和中海油勘探計算機房內(nèi)隨處可見，這些高性能計算機為工程師提供高精度的采油區(qū)地下構(gòu)造和地質(zhì)信息。

“天河-酷卡”云計算渲染平臺使動畫渲染的制作周期由原來的4至6個月縮短到1天，平均每天同時為8部動漫影視作品提供渲染。《阿凡達》動漫渲染制作耗時1年多完成，如果用“天河二號”，則僅需1個月時間。

隨著霧霾現(xiàn)象越來越受人民關(guān)注，霧霾天氣預(yù)警預(yù)報已經(jīng)成為“天河一號”的又一項任務(wù)。國家超算天津中心已經(jīng)研發(fā)出霧霾自動化實時預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，正以河北保定作為試點，對未來5天霧霾天實時預(yù)報，未來3年內(nèi)逐步建成全國性的霧霾預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。此外，天河超算還能回溯地球的氣候變遷，“天河一號”可以模擬2000年前的變化，“天河二號”則可以模擬到5000年前甚至更遠。

中科曙光與大氣物理所等單位共同研發(fā)“地球數(shù)值模擬裝置”原型機系統(tǒng)，則填補了我國地球系統(tǒng)模式大數(shù)據(jù)實踐平臺的空白。

可以說，超級計算機為中國的國防、科研、工業(yè)、經(jīng)濟等諸多方面做出了巨大貢獻!

以史為鑒，技術(shù)封鎖其實是件好事，在信息技術(shù)領(lǐng)域，建國以來的這段歷史就可說明“凡是能買到的都很難做出來了，凡是買不到的都做出來了”。因為只要西方技術(shù)封鎖，國內(nèi)買辦和國外勢力就不可能用“市場換技術(shù)”、“造不如買、買不如租”的方式來扼殺自主技術(shù)。

那么，中國的人力物力財力將全部投入到自主技術(shù)的研發(fā)中，輔以中國全世界最齊全的工業(yè)部門和扎實的工業(yè)基礎(chǔ)，加上中國龐大的市場和豐富的資源，就能做到“封鎖什么，解決什么”，所以從長期來看，技術(shù)封鎖是好事。

中美眾核芯片對比

在幾年前，當(dāng)Intel第一代至強PHI上市之時，國內(nèi)根本就沒有類似的產(chǎn)品，而龍芯、申威、飛騰準備用于超算的多核芯片也遠遠無法與Intel匹敵：

飛騰1500，16核，制程40nm，1.8G主頻，最大功耗65W，雙精浮點144G;

申威1600，16核，制程65nm，1.1G主頻，最大功耗70W，雙精浮點140G;

申威1610，16核，制程40nm，1.6G主頻，最大功耗50W，雙精浮點200G;

龍芯3B1000，8核，制程65nm ，1G主頻，最大功耗65W，雙精浮點128G;

龍芯3B1500，8核，制程32nm ，1.2G主頻，最大功耗40W，雙精浮點192G。

即便是成績最好的申威1610的理論雙精浮點峰值也只有200G，而Intel第一代至強PHI的理論雙精浮點峰值高達1T，是申威1610的5倍。正是因此，天河2號只能無奈的選擇Intel至強PHI作為其加速器。

光陰似箭，時過境遷，經(jīng)過數(shù)年的臥薪嘗膽，國內(nèi)IC設(shè)計單位的實力與日俱增，不僅能拿出至強PHI計算卡的替代產(chǎn)品，而且在性能上絲毫不落下風(fēng)。國防科大自主研發(fā)的矩陣2000理論雙精浮點峰值達2.4T，功耗為200W，理論雙精浮點峰值達到第二代至強PHI的80%，性能功耗比略優(yōu)于第二代至強PHI。

如果說矩陣2000是GSDSP，而非眾核加速器，在性能上也稍遜第二代至強PHI一籌，那么上海高性能集成電路設(shè)計中心設(shè)計的國產(chǎn)眾核芯片是對美國禁售至強PHI計算卡最有力的回擊，特別是在設(shè)計理念上，國產(chǎn)眾核加速器非常先進。

因采用異構(gòu)計算可以獲得更好的性能功耗比和峰值性能，目前中美正在建設(shè)的100P超算基本采用異構(gòu)計算，也就是一個計算節(jié)點由CPU+加速器組成，比如天河2A號一個計算節(jié)點由2個E5(將來可能會替換成國防科大自主研發(fā)的64核服務(wù)器芯片“火星”)和三個矩陣2000組成。加速器可以是K80這樣的GPGPU，也可以是矩陣2000這樣的GPDSP，還可以是Intel至強PHI、國產(chǎn)眾核芯片這樣的眾核加速器。

雖然異構(gòu)計算雖然有很多優(yōu)點，但也會帶來很多缺點，比如通用性不夠好，效率不夠高，編程比較麻煩，另外，天河2號和美國超算Stampede中的Intel至強PHI計算卡和E5是不共享內(nèi)存的，因而需要程序員顯式拷貝，進而造成性能損失。而國產(chǎn)眾核芯片通過設(shè)計理念的革新，很大程度減輕了上述方面的負面影響，在某些方面甚至徹底避免了性能損失。

因此，筆者認為，國產(chǎn)眾核芯雖然因采用28nm制程，使其在制程上遜色于第二代至強PHI的14nm。但憑借設(shè)計理念的先進性，相對于Intel第二代至強PHI會有一定優(yōu)勢。而雙精浮點運算峰值高達3T的性能指標，使其成為完全不遜色于Intel第二代至強PHI的存在。

在中國芯片制造水平不斷提升，并有望不斷縮短和美國芯片制造水平的情況下，如果Intel不能在超算芯片的設(shè)計理念上有革命性的改進，那么被國產(chǎn)眾核芯片的下一代產(chǎn)品超越只是時間問題。 中國光刻機突破世界上能制造光刻機的國家屈指可數(shù)

(美國的高端光刻機在哪呢?!所以，本質(zhì)上，美國的芯片制造業(yè)核心裝備是買來的。說白了，所謂的INTEL，用的核心設(shè)備是國外的，其無非就是一個搞組裝的加工作坊而已)

光刻機所涉及的產(chǎn)業(yè)鏈非常長、非常高端。目前世界上最大的光刻機生產(chǎn)商ASML是荷蘭公司，光刻機中的光學(xué)鏡組來自德國、干涉測量系統(tǒng)來自美國，其產(chǎn)品可以說是整個西方世界科技成果的總和。在這方面，中國要想取得獨立自主的發(fā)展，實際上是在以一己之力追趕所有發(fā)達國家數(shù)百年的積累，每一個單項的突破都意味著中國又追上了一步，這個過程將會是漫長而艱辛的。不過依托完整的產(chǎn)業(yè)鏈、龐大的工業(yè)產(chǎn)能和雄厚的人才基礎(chǔ)，中國的IC產(chǎn)業(yè)最終實現(xiàn)全面超越是完全可以期待的。

2014年7月中芯國際與高通公司達成了28納米芯片代工協(xié)議，為中芯進入主流市場工藝技術(shù)打下了堅實基礎(chǔ)。2014年12月18日，中芯國際宣布成功制造28nm Qualcomm驍龍410處理器，藉此成為中國內(nèi)地第一家在最先進工藝節(jié)點上生產(chǎn)高性能、低功耗手機處理器的晶圓代工廠。

(對高通而言，與中芯合作除了可確保未來產(chǎn)能外，還可以改善與中國的政商關(guān)系，畢竟高通因壟斷被中國政府罰款60億元。隨著中國科技的進步，中國政府已經(jīng)將芯片產(chǎn)業(yè)列入國家重點支持的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，好戲還在后頭)

上海2014年11月28日電 - 中微半導(dǎo)體設(shè)備有限公司(簡稱“中微”)宣布在本月初舉辦的第十六屆中國國際工業(yè)博覽會上榮獲金獎。這一獎項彰顯了中微十年來在先進技術(shù)自主創(chuàng)新方面取得的可喜成績。中微此次獲獎產(chǎn)品是其處于行業(yè)領(lǐng)先地位的去耦合等離子體介質(zhì)刻蝕機Primo AD-RIE®，該設(shè)備能夠滿足28到15納米及更先進工藝芯片制造的嚴苛要求。

能夠滿足28到15納米及更先進工藝芯片制造的嚴苛要求，嘿嘿。。。