雷鋒網(wǎng)注：本文作者計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)博士生，原文發(fā)表于知乎，經(jīng)作者再次編輯后授權(quán)發(fā)布在雷鋒網(wǎng)。ISC2016 公布了中國新一代超級計(jì)算機(jī)“太湖之光”，取代了天河二號成為Top 500 （超算排行榜）頭名。本文依據(jù)現(xiàn)有公開資料對太湖之光進(jìn)行深入分析。

（圖片來自新華網(wǎng)）

前幾天，我在辦公室看到太湖之光的消息，非常振奮，當(dāng)即就去找導(dǎo)師匯報(bào)（因?yàn)楹凸P者研究方向相關(guān)）

我：“中國造了一臺新超算，100PFlops！”

導(dǎo)師的第一反應(yīng)是：“功耗多少？”

我：“15MW”

導(dǎo)師：“Holy sh*t!”（臥槽！）

我：“他們沒用 Intel 的芯片?！?/p>

導(dǎo)師：“oh that makes sense”（怪不得）

我不是黑 Intel，但實(shí)在是x86架構(gòu)的歷史包袱太重了，想要實(shí)現(xiàn) 性能/功耗比的重大提升，這是一個邁不過去的坎。 我在 如何看待 19 歲少年想做出在目前 Intel 同等計(jì)算性能下降低 80% 功耗的全新電路系統(tǒng)芯片？這個回答中就提到過，Rex Computing 的人在做的事之一就是砍掉Cache （緩存），用 Scratch Pad Memory （相當(dāng)于是手動管理的快速片上內(nèi)存） 取而代之。而在太湖之光的眾核架構(gòu)中的大量 slave core里面，采用了同樣的思路，只保留了instruction cache。

data cache用Scratch Pad Memory代替，避免了眾核情況下的cache coherence帶來的大量性能和功耗浪費(fèi)。（Master core 里面有正常的Cache），我覺得這是太湖之光實(shí)現(xiàn)高性能/功耗比的一個重要原因。 并且Slave core只支持user mode，于是我猜測它在TLB上面應(yīng)該也有精簡。但目前 SW26010 芯片還沒有詳細(xì)的文檔資料，所以這點(diǎn)我也只能猜測。

至于采用眾核架構(gòu)，可以說是大勢所趨。所謂眾核架構(gòu)，就是在同一個芯片上集成幾十甚至上百個核心，這些核心協(xié)同或者獨(dú)立工作，大大提高系統(tǒng)可執(zhí)行的線程數(shù)，提高并行性，進(jìn)而提高性能。神威SW26010 每個芯片上有多達(dá)260個核心。相似地，美國一些新的超算系統(tǒng)采用了Intel的眾核Knights Landing芯片，據(jù)說性能也很不錯。

圖1：SW26010 的眾核架構(gòu)

至于指令集，Jack Dongarra在他的報(bào)告里特意強(qiáng)調(diào)SW26010 芯片的指令集和 Alpha （美國一家曾經(jīng)的高性能芯片廠商）的指令集沒有關(guān)系，所以哪怕神威前幾代芯片和Alpha 有淵源，但這次應(yīng)該真沒有。

然后更令我驚喜的是不光系統(tǒng)搭起來跑了Linpack，而且還有三項(xiàng)應(yīng)用入圍了Gordon Bell獎的最終名單 （這個可以說是超算界最厲害的獎了）。充分說明太湖之光已經(jīng)形成戰(zhàn)斗力，可以投入真正的科研應(yīng)用。

最后我們冷靜下來談一談不足之處： HPCG的跑分。

為什么HPCG跑分重要？因?yàn)樗萀inpack更接近真實(shí)應(yīng)用的場景，更能體現(xiàn)出內(nèi)存系統(tǒng)的瓶頸。Linpack測試的重點(diǎn)是系統(tǒng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，也就是我們前面提到的FLOPS（floating operations per second）這個指標(biāo)。然而實(shí)際的應(yīng)用中，浮點(diǎn)運(yùn)算快并不代表系統(tǒng)有很好的性能，因?yàn)槿绻胍↑c(diǎn)運(yùn)算能力得到發(fā)揮，首先需要能在短時間內(nèi)把大量的數(shù)據(jù)送給需要處理的單元，這對系統(tǒng)的內(nèi)存和互連網(wǎng)絡(luò)的性能要求更高。而HPCG的跑分則是一個更接近綜合性能的指標(biāo)。用一個汽車的比喻來講，Linpack的跑分更像是汽車的百米加速指標(biāo)，而HPCG更像是到真實(shí)的賽道上去跑——這時候就不光是加大馬力就能行的了，操控性等其他因素也很重要。

表1：太湖之光，天河二號，以及泰坦（美國）性能對比

由上表可以看出，太湖之光在HPCG的測試下只達(dá)到了它0.3%的峰值性能，總的算下來還不如天河二號。說明其在內(nèi)存和互連網(wǎng)絡(luò)的性能上存在很大的瓶頸。

結(jié)語

雖然太湖之光取得了很好的成績，可以說是中國超算人的驕傲，但我們還是不能掉以輕心。美國正在大力發(fā)展 exa-scale計(jì)劃 （1000 Pflops，大約是太湖之光的10倍性能) ，計(jì)劃在2023年拿出性能達(dá)到exa-scale，功耗小于20MW 的超算。并且還有3臺超過100Pflops的超算正在建設(shè)當(dāng)中 。而我們眼前就有GPU帶來的超算變革，DARPA（美國國防前沿研究計(jì)劃） 也為exa-scale計(jì)劃投資了不少黑科技的項(xiàng)目， 而且這個太湖之光一出，他們估計(jì)跟國會要錢更加容易…… 革命尚未成功，同志仍需努力啊！

注：文中資料圖均來自Jack Dongarra 的報(bào)告 Report on the Sunway TaihuLight System

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