超算朝百亿亿次挺进 打倒功耗拦路虎仍需技术革命

目前，有多个团队正朝着研制出百亿亿次(exascale)超级计算机(以下简称超算)的目标挺进，但要实现这一目标，还面临不少挑战。降低超算的能耗非常重要，为此，科学家需要另辟蹊径，在研制工艺上取得革命性突破。

竞相研发E级超算

美国橡树岭国家实验室正在紧锣密鼓地研制超级计算机“尖峰(Summit)”。美国能源部希望在其2018年问世之日，这台投资2.8亿美元的超级“怪兽”能助美国夺回超算界“扛把子”的头衔。“尖峰”的运算速度被设计为每秒进行20亿亿次浮点运算，比目前世界上运行速度最快的计算机还快60%。

但对于喜欢“得陇望蜀”的计算机科学家来说，“尖峰”是他们的“陇右”，速度为其5倍的百亿亿次超算(也被称为E级超算，被公认是“超算界的下一顶皇冠”)才是他们的“西蜀”，这意味着他们需要把现有最高计算性能提高10倍以上。

目前，全球有多个国家正竞相研发E级超算。中国计划于2020年推出首台E级超算;美国能源部启动了“百亿亿次计算项目(Exascale Computing Project)”，希望于2021年至少交付一台E级超算，其中一台的名字为“极光(Aurora)”。据悉，美国在下一代超算技术方面的研发总投入将达到4.3亿多美元，用美国能源部部长里克·佩里的话说，这些资金就是剑指“下阶段研发百亿亿次系统的全球竞赛”。此外，欧盟预计于2022年—2023年交付首台E级超算;日本发展E级超算的“旗舰2020计划”由日本理化所主导，完成时间也设定在2020年。

超算之所以广受关注，一方面是因为它体现了各国的综合国力和科技创新能力;另一方面也在于它强大的能力。科学家估计，E级超算将在气候科学、可再生能源、基因组学、天体物理学、军事以及人工智能等领域大显身手，帮助他们解决目前无法解决的难题，比如，以更高的空间清晰度模拟全球气候变化、模拟宇宙演化及核试验等。

降低能耗是大挑战

但理想很丰满，现实很骨感，要想研制出E级超算，科学家面临着极大的挑战，功耗过高首当其冲。随着速度和性能要求不断提高，如果按现有设计方法，通过不断增加处理器数量来研制超算，其体型和规模会越来越大，数据在存储器和处理器之间进出所耗费的功率会越来越多。有人甚至预测，超算90%的功率将被用于数据输送。

有科学家已对此提出警告。2008年，美国能源部高级研究计划局(DAPRA)计算机科学家皮特·寇格领导的团队发布报告称，“功率是E级超算面临的最大问题”，以现有技术研制出的E级超算功率可能高达千兆瓦，需要一个专门的核电站来给它供电，这样的超算显然没有太大实用价值。

随着技术的不断进步，2015年，寇格将功率估算值降到180兆瓦至425兆瓦之间，但这仍然远超目前超算界龙头、中国“神威·太湖之光”15兆瓦的功率。

美国阿贡国家实验室计算、环境和生命科学实验室负责人皮克·斯蒂芬斯表示，目前很多科学家致力于降低超算的功率，最近几年涌现出了一批新兴技术，比如，让存储器更接近计算器，减少数据行进的距离;让高性能存储器向三维扩展而不是朝二维延伸;超算与闪存结合;在芯片不使用时关闭其中的电路;改变电压或频率等来节省功率等。

需要革命性的方式

科学家表示，除了上述技术之外，要真正降低能耗，需要制造工艺上出现革命性的突破。英特尔微处理器技术实验室原主管谢卡尔·博卡说：“渐进式的方法将不再管用，我们需要革命式的方法。”

据悉，中国首套E级超算系统的功率将不超过30兆瓦;法国可替代能源和原子能组织高性能计算专家简-菲利普·诺米尼介绍称，欧洲致力于将首套超算系统的功率保持在10兆瓦以内。

美国“极光”的功率被设计为40兆瓦，绝对最大功率为60兆瓦。英特尔公司目前正为其研制芯片，尽管相关细节仍未知，但英特尔公司高性能和百亿亿次计算首席架构师阿尔·加拉表示，公司目前正在开发一个新平台，包括新的芯片微体系结构等。而中国中科曙光目前正在研制的E级超算模型可能会采用与此前超算不同的方式。

美国也有专家认为，应该反思超算的发展方向，改变追求峰值运算速度的模式，而注重实用价值。Top500榜单创始人、田纳西大学计算机科学家杰克·东格拉就称：“速度并不意味着一切。尽管汽车达到300公里/小时的速度让人惊叹，但大多数汽车的真正价值在于，在日常限速范围内安全可靠地行驶。”

此外，研究人员也在思考未来十年如何超越E级超算，研制出速度更快且性能更佳的超算。他们认为，下下一代超算可能需要采用一些目前“小荷才露尖尖角”的技术，包括能模拟大脑内神经元操作的神经形态电路或量子计算等。