周末最大的科技新聞，應(yīng)該是美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)重奪世界第一，速度超過(guò)了中國(guó)“神威”60%。

　　筆者也正好借此機(jī)會(huì)向公眾介紹一下超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域激烈的中美競(jìng)爭(zhēng)。而且這應(yīng)該是真正最完整和最通俗的解讀了。

　　【美國(guó)已經(jīng)落后甚至被甩開(kāi)了5年】

　　這將是自2013年6月以來(lái)，美國(guó)首次登上超級(jí)計(jì)算機(jī)的榜首，當(dāng)時(shí)它被中國(guó)廣州的天河二號(hào)奪去了第一名。到2016年，中國(guó)無(wú)錫的神威-太湖之光，又以3倍的優(yōu)勢(shì)大幅度刷新記錄，繼續(xù)為中國(guó)把持著榜單首位。

　　在上一輪，也就是去年年底的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行上，美國(guó)的最高排位已經(jīng)被瑞士和日本擠到了第五位。

　　而在TOP500總榜單中，中國(guó)系統(tǒng)總數(shù)為202臺(tái)，占比超過(guò)四成位居第一。美國(guó)只剩143臺(tái)。中國(guó)在總體算力上也超過(guò)了美國(guó)。在TOP500的總算力中，中國(guó)占了35.4％，美國(guó)只有29.6％。

　　再往下的國(guó)家數(shù)字就很少了，日本35臺(tái)，德國(guó)20臺(tái)，法國(guó)18臺(tái)，英國(guó)15臺(tái)……這就是當(dāng)今全球頂尖科技與商業(yè)的競(jìng)逐寫(xiě)照：只有中美兩個(gè)大玩家。

　　【請(qǐng)不要再用人手去類(lèi)比了——G的十億級(jí)領(lǐng)域】

　　在進(jìn)一步介紹之前，很有必要科普衡量現(xiàn)代計(jì)算機(jī)性能的基本專(zhuān)業(yè)參數(shù)——每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（英文縮寫(xiě)：FLOPS）。否則，一味地還在采用“相當(dāng)于全球70億人手按多少百億年計(jì)算器”，實(shí)在既不直觀(guān)，也難比較。

　　從鼻祖ENIAC的300 FLOPS開(kāi)始，計(jì)算機(jī)開(kāi)始了指數(shù)化發(fā)展的歷程。在英文詞匯與縮寫(xiě)里，K是千，10的3次方；M是百萬(wàn)，10的6次方；G是十億，10的9次方，以此進(jìn)位。

　　在超級(jí)計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)超算）首次被中國(guó)媒體報(bào)道的80年代中期，超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度是1 GFLOPS量級(jí)，也就是每秒十億次浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　1983年中國(guó)造出第一臺(tái)銀河一號(hào)巨型計(jì)算機(jī)，每秒運(yùn)算一億次以上，也就是0.1GFLOPS。而當(dāng)年全球最快的美國(guó)克雷，則是八億次，也就是0.8GFLOPS。

　　放在今天，這性能大概連塊電子表都不如。

　　【千倍性能的超算，過(guò)十幾年就還不如個(gè)人玩具——T的萬(wàn)億級(jí)領(lǐng)域】

　　十五年后，到了90年代末期，個(gè)人電腦上的CPU開(kāi)始出現(xiàn)1 GFLOPS的能力，而此時(shí)全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，性能已達(dá)到了1 TFLOPS以上——T是一萬(wàn)億，10的12次方。

　　因此個(gè)人電腦與同時(shí)代專(zhuān)業(yè)超算的差距，是1000倍。

　　而再過(guò)十五年，2014年的個(gè)人電腦CPU就有0.6 TFLOPS的能力，現(xiàn)在2018年的頂級(jí)手機(jī)CPU，也具備了同樣的水準(zhǔn)。

　　絕大部分人都不會(huì)意識(shí)到，手上小小的智能手機(jī)，竟然堪比20年前極其龐大笨重的全球最強(qiáng)超算，而且體積重量也縮小了1000倍。

　　否則，還怎么玩微信、刷視頻、打游戲，以及實(shí)時(shí)美顏？那都是以接近T級(jí)的計(jì)算能力，實(shí)時(shí)算出來(lái)的！

　　信息科技的指數(shù)化發(fā)展，創(chuàng)造了無(wú)與倫比的爆炸式進(jìn)步，也推動(dòng)了無(wú)法想象的社會(huì)形態(tài)變革。

　　所以TFLOPS（萬(wàn)億），才應(yīng)該是討論現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的起點(diǎn)。否則，數(shù)據(jù)后面所列的〇和億太多，實(shí)在超出了普通人的理解力和想象力，也脫離當(dāng)下的發(fā)展現(xiàn)實(shí)。

　　【同樣的，專(zhuān)業(yè)超算要保持比個(gè)人玩具強(qiáng)1000倍——P的千萬(wàn)億級(jí)領(lǐng)域】

　　而主要用于游戲的顯卡，由于幾百個(gè)運(yùn)算單元并行處理的特性，性能增長(zhǎng)還高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　以目前市場(chǎng)上最熱銷(xiāo)、最主流的NVIDIA GTX 1060游戲顯卡為例，它的成品價(jià)格是2000多元人民幣，游戲單精度計(jì)算能力是4.4 TFLOPS，比傳統(tǒng)CPU高了約10倍。

　　再往上，目前NVIDIA最新的頂級(jí)顯卡Titan V達(dá)到了15 TFLOPS，是GTX 1060的三倍多，當(dāng)然，售價(jià)也達(dá)到了兩萬(wàn)多元。

　　而當(dāng)TFLOPS再增長(zhǎng)1000倍，就是PFLOPS（千萬(wàn)億）。這才是當(dāng)今專(zhuān)業(yè)超算的能力范疇——實(shí)際1個(gè)PFLOPS能力的超算，在去年底的榜單上，能排在全球183位。

　　【美國(guó)怎么奪回冠軍的：等了整整3年】

　　為了奪回被中國(guó)占據(jù)的最快超算王座，早在2015年，IBM和NVIDIA就接下了美國(guó)政府的訂單，要為掌管研制核武器的美國(guó)能源部所屬的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，分別打造20億億次和15億億次，也就是200 FLOPS和150 PFLOPS的超算。

　　兩臺(tái)超算分別命名為Summit和Sierra，總耗資約3.8億美元。但一直要到2017年底，兩家公司研制出相關(guān)核心芯片之后，才能轉(zhuǎn)換為工程現(xiàn)實(shí)。

　　橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室名為“頂點(diǎn)”（Summit）的超算，使用了4608個(gè)計(jì)算服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有2個(gè)IBM的Power 9處理器（CPU）和6個(gè)NVIDIA（英偉達(dá)）公司生產(chǎn)的Tesla V100圖形處理單元加速器（GPU），以及512 GB的DDR4 內(nèi)存。采用效率更高的水冷散熱。

　　NVIDIA的Tesla V100，采用臺(tái)積電12納米工藝制造，集成了210億個(gè)晶體管，外圍是32 GB內(nèi)存。每個(gè)售價(jià)9000美元。

　　Tesla V100和民用頂級(jí)顯卡Titan V同為Volta 架構(gòu)，但考慮穩(wěn)定性頻率略低，理論計(jì)算能力為單精度14 TFLOPS，但科學(xué)計(jì)算都用雙精度模式，為7 TFLOPS。

　　GPU接管了大部分的工作負(fù)載，但CPU仍然是數(shù)據(jù)處理的中心。IBM的POWER9，采用格羅方德（原AMD的制造部分）的14納米工藝制造，集成了擁有80億個(gè)晶體管。具有24核96個(gè)線(xiàn)程，實(shí)際使用22核。每顆售價(jià)6000美元起。

　　這樣，單個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有6塊雙精度7 TFLOPS的V100，理論計(jì)算能力就超過(guò)42 TFLOPS。4608個(gè)節(jié)點(diǎn)合起來(lái)，就是20萬(wàn)個(gè)TFLOPS，200個(gè)PFLOPS——用中文說(shuō)就是20億億次。

　　這相當(dāng)于個(gè)人電腦中高端游戲顯卡的9萬(wàn)倍，主流CPU的90萬(wàn)倍。也比美國(guó)目前排名世界第五的的最強(qiáng)系統(tǒng)‘泰坦’（Titan）強(qiáng)8倍。

　　當(dāng)然，比起個(gè)人電腦，一要解決大規(guī)模集成與互聯(lián)并行計(jì)算，二要解決超大數(shù)據(jù)量吞吐與節(jié)點(diǎn)間交換，三要追求更高的效率和更高的功耗比，這就需要最先進(jìn)的配件。

　　【只花了2億美元？背后是幾十億美元的研制經(jīng)費(fèi)】

　　單算比例分?jǐn)?，Summit的造價(jià)的確是2億美元出頭，看似并不多，在中國(guó)也就能修一公里多地鐵，在美國(guó)連毛都不算。

　　但是，光TESLA V100及其背后的Volta 架構(gòu)，就凝聚了Nvidia 7000 多名工程師超過(guò)3 年的研發(fā)，投入資金達(dá)30 億美元。IBM的Power 9以及總體架構(gòu)設(shè)計(jì)也要花差不多同樣的錢(qián)。

　　IBM的女CEO羅睿蘭（Ginni Rometty）表示：“這是我們最大的成就之一，它是最快、最智能的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！?/p>

　　美國(guó)能源部長(zhǎng)里克?佩里自豪地表示：“Summit的發(fā)布體現(xiàn)了美國(guó)在科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的領(lǐng)導(dǎo)實(shí)力。它將對(duì)能源研究、科學(xué)發(fā)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全有深遠(yuǎn)影響?！?/p>

　　【憋了5年美國(guó)超算重新超越中國(guó)，但也許只能秀半年】

　　另外，Summit的理論總計(jì)算能力是200 PFLOPS，也就是20億億次。但實(shí)測(cè)的真實(shí)計(jì)算能力還未公布，因?yàn)槔碚摷涌偟目偤捅緹o(wú)法全部?jī)冬F(xiàn)。

　　中國(guó)的神威-太湖之光，理論能力125 PFLOPS，實(shí)測(cè)對(duì)兌現(xiàn)了93 PFLOPS，效率近75%，已經(jīng)是很高的記錄了。

　　美國(guó)之前排名第三、全球第七，能源部洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Trinity，實(shí)測(cè)效率不到32%?？梢?jiàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)有問(wèn)題。

　　美國(guó)雖然能借Summit 重回超算榜首地位，但這個(gè)寶座恐怕坐不了多久，根據(jù)中國(guó)最新的進(jìn)展，恐怕到年底，中國(guó)超算就有望重新取而代之。

　　想必，中國(guó)超算的最新進(jìn)展及其應(yīng)用場(chǎng)景，才是廣大讀者真正更關(guān)心的話(huà)題。請(qǐng)待下篇。