編者按：昨日，國(guó)外負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度測(cè)量的國(guó)際組織機(jī)構(gòu)在美國(guó)發(fā)布了全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)最新排行榜。榜單中，中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)以每秒33.86千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度獲得冠軍。這也是自從2011年以來，“天河二號(hào)”第四次贏得全球運(yùn)算最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的稱號(hào)。多次連任全球超級(jí)計(jì)算機(jī)冠軍，天河二號(hào)是否彰顯國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力？

答案是肯定的！那么，為什么它能彰顯國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力？這就需要知道這種超級(jí)計(jì)算機(jī)研制的難點(diǎn)在哪里。

現(xiàn)在全球投入使用或?qū)⒁度胧褂玫某?jí)計(jì)算機(jī)，幾乎全部都是集群式計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單說就是將大量的微型計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接起來，使用專用的操作系統(tǒng)控制來執(zhí)行大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。搭建超級(jí)計(jì)算機(jī)所使用的節(jié)點(diǎn)，通常都使用市場(chǎng)上能買到的工作站/服務(wù)器使用的CPU、GPU等芯片。例如天河2使用的就是Intel的Xeon E5 V2處理器和Xeon Phi協(xié)處理器（后者類似GPU，負(fù)責(zé)一些特殊的計(jì)算任務(wù)），這兩種芯片都是在公開市場(chǎng)上銷售的。（Xeon E5 V2的正式銷售要等到第三季度）類似地，超算的內(nèi)存、存儲(chǔ)單元等一般也是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，沒什么特殊和神秘的。

超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)的真正難點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在處理單一計(jì)算任務(wù)時(shí)，集群中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是非常復(fù)雜的。不僅節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大，延遲要求嚴(yán)格，而且動(dòng)輒就需要數(shù)百數(shù)千乃至上萬個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)傳送計(jì)算數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效率不足時(shí)，大量的數(shù)據(jù)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生擁堵，可能會(huì)極大地降低整套系統(tǒng)的運(yùn)算性能。整臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越強(qiáng)，集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求就越高。因此，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能是硬件上制約超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的最主要瓶頸。正因?yàn)榇嬖谶@一瓶頸，廠商不可能通過無限制地堆砌節(jié)點(diǎn)數(shù)量來增加計(jì)算能力——當(dāng)總的運(yùn)算能力超過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最高負(fù)荷后，繼續(xù)增加的節(jié)點(diǎn)不僅不能提高計(jì)算能力，反而會(huì)讓性能下降。

另一方面，控制大量的計(jì)算節(jié)點(diǎn)執(zhí)行同一個(gè)或少數(shù)一些計(jì)算任務(wù)，對(duì)軟件系統(tǒng)的要求是和我們?nèi)粘＝佑|的應(yīng)用完全不同的。軟件系統(tǒng)必須對(duì)硬件高度優(yōu)化才能充分發(fā)揮硬件的潛力，否則就會(huì)產(chǎn)生瓶頸。此外，由于超算的節(jié)點(diǎn)眾多，少數(shù)節(jié)點(diǎn)損壞是家常便飯，軟件系統(tǒng)必須做到部分節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)不影響任務(wù)的持續(xù)。當(dāng)然，系統(tǒng)更不能頻繁出現(xiàn)死機(jī)、崩潰等情況，對(duì)穩(wěn)定性的要求遠(yuǎn)高過一般的家用、商用電腦。滿足這些要求的前提下，系統(tǒng)還需要做到盡可能的易于使用，這樣才便于執(zhí)行多種多樣的計(jì)算任務(wù)，處理各行各業(yè)的需求。

因?yàn)橐陨蟽纱笙拗频拇嬖冢?jí)計(jì)算機(jī)的研制事實(shí)上是技術(shù)含量非常高的。節(jié)點(diǎn)的芯片隨便可以買得到，但網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都是超算研發(fā)廠商自己的實(shí)力所在。

再來看看天河2

天河2使用了自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用了國(guó)防科大自主研發(fā)的，基于SPARC指令集的飛騰1500處理器來處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)則是自主開發(fā)的麒麟。天河2目前有大約13000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用了兩顆Intel的Xeon E5-2692 V2 CPU和三張Xeon Phi 31sp Co-processor。Xeon E5-2692 V2是Intel開發(fā)的CPU，尚未上市，每顆CPU有12個(gè)核心，主頻2.2GHZ；Xeon Phi 31sp則是Intel開發(fā)的協(xié)處理器，專門用來執(zhí)行密集浮點(diǎn)運(yùn)算，其形態(tài)為類似顯卡那樣的PCIe擴(kuò)展卡，卡上有一顆芯片和8GB高帶寬內(nèi)存，芯片內(nèi)有57個(gè)主頻約1GHZ的核心。Xeon Phi 的一個(gè)特點(diǎn)是浮點(diǎn)運(yùn)算效率較低，其在運(yùn)行浮點(diǎn)運(yùn)算基準(zhǔn)測(cè)試linpack時(shí)，實(shí)際性能只相當(dāng)于理論最大運(yùn)算性能的60%左右——相比之下，Xeon E5 CPU運(yùn)行相同測(cè)試時(shí)的效率在80%以上。但是Xeon Phi的理論最大運(yùn)算性能較高（每張卡1T Flops，亦即每秒1萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算），大大超過Xeon E5的212G Flops（每秒2120億次浮點(diǎn)運(yùn)算），因此一張Xeon Phi的實(shí)際運(yùn)算能力可以達(dá)到三顆Xeon E5的水平。

天河2的整機(jī)理論最大浮點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá)到54900TFlops，而實(shí)測(cè)運(yùn)算性能達(dá)到33860TFlops，效率達(dá)到60%左右，這是非常不容易的：這意味著擁有1.3萬計(jì)算節(jié)點(diǎn)的龐大計(jì)算集群，效率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)是差不多的水平。這說明天河2的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的水平是非常高的，在1.3萬節(jié)點(diǎn)的水平下幾乎沒有網(wǎng)絡(luò)和軟件瓶頸的出現(xiàn)。相比之下，一些較小的使用較落后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超算，幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)下的運(yùn)算效率相比單節(jié)點(diǎn)的效率幾乎減半，說明瓶頸是非常嚴(yán)重的?，F(xiàn)在的天河2只是完成了一期工程，未來通過增加節(jié)點(diǎn)和改用更快速的計(jì)算卡（后者類似于我們常說的電腦升級(jí)）預(yù)計(jì)可以達(dá)到超過5萬TFlops的運(yùn)算能力，這都要感謝國(guó)防科大自主研制的高性能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)國(guó)家來說，超級(jí)計(jì)算機(jī)是增強(qiáng)研發(fā)能力、增強(qiáng)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。一臺(tái)超算既可以處理少量的超大計(jì)算量的任務(wù)（比如軍事上模擬核試驗(yàn)），也可以處理大量的計(jì)算量較小的任務(wù)（比如為眾多用戶同時(shí)處理不同的計(jì)算需求，如計(jì)算產(chǎn)品的流體測(cè)試數(shù)據(jù)、為電影后期進(jìn)行三維渲染、為學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)計(jì)算支持等），其用途是十分廣泛的。國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的超算中心都有各行各業(yè)的大量用戶在使用，效益還是很不錯(cuò)的。經(jīng)過多年發(fā)展，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)能力已經(jīng)達(dá)到了僅次于美國(guó)日本的水平，在世界上屬于第一梯隊(duì)。雖然與美國(guó)的差距仍然較大（主要體現(xiàn)在核心芯片與軟件系統(tǒng)上），但發(fā)展的前景是越來越好的。很多外行不明就里，動(dòng)輒就說超算就是堆芯片沒有技術(shù)含量，其實(shí)只是在證明自己的無知與自大罷了。

補(bǔ)充介紹下，除了超級(jí)計(jì)算機(jī)以外，12306的訂票系統(tǒng)也屬于大規(guī)模計(jì)算應(yīng)用中的兩個(gè)范疇，后者的任務(wù)是大規(guī)模實(shí)時(shí)整數(shù)數(shù)據(jù)處理，而前者的任務(wù)是大規(guī)模非實(shí)時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算。任務(wù)類型的不同決定了兩者的系統(tǒng)要求有著巨大的差別：用于訂票系統(tǒng)的集群要求有非常高的I/O處理能力，足夠快的響應(yīng)速度和極低的錯(cuò)誤率；用于超算的集群則要求非常高的浮點(diǎn)計(jì)算能力，不需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，也不需要那么高的IO處理，對(duì)錯(cuò)誤率的容忍也更好。用超算系統(tǒng)的技術(shù)去做訂票系統(tǒng)，前者的高浮點(diǎn)能力毫無用途，卻缺乏后者需要的實(shí)時(shí)性能和IO能力，結(jié)果只會(huì)一塌糊涂。

文章作者：王強(qiáng)，內(nèi)容來源知乎，經(jīng)本人授權(quán)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載須經(jīng)本人同意許可。

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