6月17日，新一期全球超算500強榜單出爐，入選500強的所有超算浮點運算速度都突破每秒千萬億次，中國超算也在前四占有兩席位置。
普通計算機用指令運算速度衡量計算性能，而超算通常用浮點運算速度來衡量其性能。那么，什么是浮點運算速度，超算榜單為什么會選擇浮點運算速度來進(jìn)行比較？500強特別是前十的超算，科學(xué)家們都在想哪些辦法讓浮點運算速度越來越快？節(jié)能環(huán)保是對超算的另一衡量指標(biāo)，超算要節(jié)能環(huán)保，最新的研究思路和實現(xiàn)策略又有哪些？6月19日，科技日報記者帶著這些問題，走訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。
浮點運算速度 衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一
“超級計算機被稱為‘國家重器’，屬于國家戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國競相角逐的科技最高點。目前，高性能計算機領(lǐng)域市場競爭日趨激烈，美國、歐洲、日本和中國都在加速超級計算機的研發(fā)。”國家超級計算無錫中心主任楊廣文說。
“浮點運算速度是指計算機系統(tǒng)每秒可以處理的浮點操作，通常用FLOPS來表示。”江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副院長柴志雷副教授說，超算榜單選擇浮點運算速度作為對比參考，是因為超級計算機主要用于科學(xué)計算領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的計算主要采用浮點數(shù)。
江蘇理工學(xué)院計算機工程學(xué)院副院長范洪輝副教授告訴記者，浮點是指小數(shù)點位置不固定的數(shù)，它們執(zhí)行的算術(shù)運算會消耗大量計算資源并可能產(chǎn)生誤差，所以單位時間內(nèi)浮點運算的次數(shù)，是衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一。
常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與大數(shù)據(jù)學(xué)院錢銀中博士表示，計算機只能存儲和處理整數(shù)，通過整數(shù)乘以某個基數(shù)的整數(shù)次冪，是計算機表示實數(shù)尤其是小數(shù)的方法。
“浮點運算在運算數(shù)大小變化范圍很大的場合可以實現(xiàn)很高的計算精度，是科學(xué)研究中的典型運算。大多數(shù)處理器中，都有專門處理浮點運算的浮點運算單元（FPU），F(xiàn)LOPS就是浮點運算單元的執(zhí)行速度。”錢銀中說。
中國高性能計算重點研發(fā)專項總體組組長、中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)計算機學(xué)院院長錢德沛表示，選用浮點運算速度作為超算運算能力的評價標(biāo)準(zhǔn)，是因為科學(xué)工程計算軟件中包含了大量的浮點數(shù)運算，浮點運算速度快的計算機通常也能夠更快運行相關(guān)的科學(xué)工程計算軟件。
把復(fù)雜的工作細(xì)分 超算界沒有最快只有更快
超級計算機具有很強的計算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及高性能軟件系統(tǒng)。現(xiàn)有的超級計算機運算速度，大都可以達(dá)到每秒一萬億次以上。
常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院牛杰博士介紹，超級計算機的創(chuàng)新設(shè)計在于把復(fù)雜的工作細(xì)分并分配給不同的處理器。根據(jù)阿姆達(dá)爾定律，超級計算機的設(shè)計都集中在減少軟件序列化、用硬件在瓶頸上加速。
目前，世界排名前十的超算，基本都是通過優(yōu)化CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）之間的連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提升GPU和協(xié)處理器性能，增加內(nèi)存容量、擴充存儲容量、增大網(wǎng)絡(luò)帶寬、借助運算加速卡等方式提升算力，最終在高性能計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用支撐等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。
柴志雷認(rèn)為，提升超級計算機系統(tǒng)的浮點處理能力，不是單純讓浮點運算本身更快，而是從整個系統(tǒng)的角度，提升芯片工藝，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、節(jié)點計算性能、存儲訪問性能、節(jié)點間通信等，從而使得系統(tǒng)的整體能力得到提升。目前，還經(jīng)常采用在系統(tǒng)中增加加速器等方法，來獲得更高計算效率。
錢銀中介紹，實現(xiàn)超算的技術(shù)有大規(guī)模并行計算法，這種方法使多個處理器一起工作，每個處理器處理一個大問題中的不同任務(wù)。這種方法有兩種實現(xiàn)途徑：一種是網(wǎng)格計算法，多個計算機連接成分散的分布式結(jié)構(gòu)，分屬不同的控制區(qū)域，當(dāng)需要計算機時從中擇機選擇；另一種是把處理器組織為關(guān)系緊密的集群?，F(xiàn)代超算使用無限帶寬系統(tǒng)、三維環(huán)面互連等技術(shù)，在大規(guī)模并行系統(tǒng)中提高集群的速度和靈活性。
國家超級計算無錫中心先進(jìn)制造部部長任虎介紹，目前，提高浮點運算速度的方法主要有：提高芯片計算核心的時鐘頻率，增加芯片中計算核心的數(shù)量，通過多流水線、乘加融合（FMA）等技術(shù)增加單位時間內(nèi)處理浮點運算的能力。
例如，曙光星云采用了自主研發(fā)的超并行處理體系結(jié)構(gòu)、神威藍(lán)光超算采用了大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)、天河一號采用了多陣列可配置協(xié)同并行體系結(jié)構(gòu)、天河二號采用了自創(chuàng)的新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)。此外，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、存儲、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、電源和冷卻等系統(tǒng)都對超算的性能有著重要的影響，所以超算的世界里沒有最快，只有更快。
Green500 超算界針對能效的排行榜
“節(jié)能環(huán)保是衡量超算的另一指標(biāo)。超算中心是高性能計算機的規(guī)模應(yīng)用，功率密度高，且長期運行在高負(fù)荷率條件下，耗能極高。通過優(yōu)化軟硬件配置確實能降低一部分功耗，但最根本源頭是要研發(fā)計算性能優(yōu)異且超低功耗的高性能處理器。目前，如何實現(xiàn)低能耗的超算是全球科學(xué)家研究的熱點問題?！?范洪輝告訴記者。
牛杰介紹，超算界還有一種被稱為“Green500”的排行，就是以計算機每瓦功耗可以提供的計算速率為指標(biāo)，針對超級計算機能效的排行榜。
從歷年的評測結(jié)果來看，刀片服務(wù)器一般比集群式服務(wù)器更節(jié)能，被廣泛使用在超算系統(tǒng)中。Green500排名靠前的前三大系統(tǒng)都采用了PEZY加速器，而前十大的其余系統(tǒng)則使用NVIDIA GPU作為加速器。其中，PEZY系統(tǒng)采用的是液體冷卻方式，也就是說，整個系統(tǒng)浸沒在液體中，這比透過板載空氣或水更具有節(jié)能效率。
超算深騰7000可以實時定位計算機的熱源分布和結(jié)構(gòu)特點，采用取消全部風(fēng)扇、在每套機柜內(nèi)安裝噴淋蒸發(fā)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的方法，完成了產(chǎn)品的實施。該項目與傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷技術(shù)相比，具有冷卻效率高、溫度分布均勻、低噪音、低功耗、可靠性高等優(yōu)點。
相對風(fēng)冷，中國的“神威藍(lán)光”超算中心，利用復(fù)雜的水冷系統(tǒng)，實現(xiàn)CPU、內(nèi)存、元器件的冷卻并帶走熱量，幾乎不損耗水且無噪音，先進(jìn)環(huán)保，就像三明治夾心，水冷板被緊緊地夾在兩塊CPU板中間，無縫同步散熱。
如何讓超算實現(xiàn)低能耗？柴志雷認(rèn)為，低功耗計算也是超級計算機研制的重要方面，從芯片制造、架構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計多個層次都需要做大量的工作。比如在架構(gòu)設(shè)計上，可以通過增加異構(gòu)加速單元，提升系統(tǒng)的能效比。
范洪輝提出，重點應(yīng)降低每個部件的耗能，尤其是CPU的能耗。同時要改善存儲器件的設(shè)計，減少數(shù)據(jù)行進(jìn)的距離；讓高性能存儲器向三維擴展而不是朝二維延伸；超算要與閃存結(jié)合，來改變電壓或頻率等節(jié)省功率；其次，可以采用包括能模擬大腦內(nèi)神經(jīng)元操作的神經(jīng)形態(tài)電路或量子計算模式，創(chuàng)造出新型的計算機，比如生物計算機和量子計算機。
令人欣慰的是，我國正在通過多方面發(fā)力，讓超級計算機更節(jié)能環(huán)保。例如，曾獲中國專利獎優(yōu)秀獎的“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”，采用超低功耗的無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)、三維建模及虛擬仿真技術(shù)、智能分析技術(shù)等，有效消除了機房內(nèi)局部熱點，解決了功耗特別大的難題，實現(xiàn)超算中心安全穩(wěn)定和節(jié)能的目標(biāo)。