使用國產(chǎn)芯的全球最快超算，“神威太湖之光”究竟厲害在哪里？

64年了，“神威太湖之光”取代“天河二號”登上榜首，中國超算上榜總數首次超過(guò)美國,名列第一。

（圖來(lái)自新華網(wǎng)）

據新華社6月20日消息，新一期全球超級計算機500強榜單20日公布，使用中國自主芯片制造的“神威太湖之光”取代“天河2號”登上榜首。更可貴的是，神威太湖之光與天河2號使用Intel的CPU不同，神威太湖之光采用了完全自主研發(fā)的國產(chǎn)眾核芯片——申威26010。而且高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )和操作系統也是自主研發(fā)。

這不僅徹底實(shí)現了在超算領(lǐng)域徹底扭轉在技術(shù)和信息安全上受制于人的局面，還使美國對中國四家超算中心禁售Intel至強PHI計算卡成為笑柄，再次實(shí)現了“凡是國外技術(shù)封鎖的，中國人自己都能做出來(lái)”。

申威采用自主指令集

神威太湖之光使用了上海高性能集成電路設計中心設計的國產(chǎn)眾核芯片申威26010，該眾核芯片采用28nm制程工藝，主頻1.45G，擁有260個(gè)核心，雙精浮點(diǎn)峰值高達3.06TFlops，在雙精浮點(diǎn)上完全追平了Intel最好的超算芯片。正是得益于國產(chǎn)眾核芯片申威26010的強悍性能，加上良好的體系結構設計以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )等核心部件，使超算擁有異乎尋常性能指標。

誠然，在介紹申威26010優(yōu)點(diǎn)的時(shí)候，也不能忽略其短板——內存僅有136.51G，而且用的還是DDR3，相比之下，Intel的KNL和英偉達的Tesla都采用3D堆疊內存，內存帶寬更是達到512G(Intel PHI) 和 720G（英偉達 Tesla）。因為單個(gè)CPU的內存帶寬不大，所以對于現實(shí)生活中的應用，很難跑出接近峰值的性能。對于某些對內存帶寬要求高的應用，實(shí)際使用中就不如Tesla和PHI了。

每當中國取得技術(shù)突破之時(shí)，網(wǎng)絡(luò )上總會(huì )冒出一群“找爹黨”，本次神威太湖之光超算刷榜也不例外——一些人將申威26010與 DEC的Alpha聯(lián)系起來(lái)，并將其“認爹”。就事論事來(lái)說(shuō)，申威確實(shí)與Alpha有一定淵源，但血緣關(guān)系非常淡薄，和DEC當年的Alpha已經(jīng)完全是兩回事了（畢竟DEC被康柏收購已經(jīng)快18年了），有人稱(chēng)之為類(lèi)Alpha自主指令集，筆者聯(lián)系過(guò)申威的科研人員，他明確表示是自主指令集。而本次大會(huì )上，相關(guān)單位明確表示Shenwei-64 Instruction Set (this is NOT related to the DEC Alpha instruction set)。請廣大網(wǎng)友不要給申威找“爹”，何況這個(gè)“爹”已經(jīng)掛了18年了。

設計理念獨具一格的申威26010

當今超算的計算節點(diǎn)要么采用CPU+加速器的方式，要么完全采用相同的CPU。

（圖來(lái)自新華網(wǎng)）

采用CPU+加速器的方式，被稱(chēng)為異構計算。

舉例來(lái)說(shuō)，美國泰坦和中國天河2號為例，泰坦有18688個(gè)運算節點(diǎn)，每個(gè)運算節點(diǎn)由1個(gè)16核心AMD Opteron 6274處理器和1個(gè)NVIDIA Tesla K20加速器組成，共計299008個(gè)運算核心；天河2號有16000個(gè)計算節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI組成，共使用了32000片Intel的E5 2692和48000片Xeon PHI；天河1A使用了14336片Intel Xeon X5670處理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能計算卡。這些超算的計算節點(diǎn)都采用了CPU+加速器的方式，因而都是采用異構計算超算的典型代表。

而完全使用同一塊CPU則被稱(chēng)為為同構計算。

比如，日本超算“京”只采用的處理器是富士通制造的SPARC64 VIIIfx，神威藍光只采用了8704片申威1600，Mira和Sequoia，就只采用了PowerPC A2處理器，這些都沒(méi)有采用GPU或眾核芯片等加速器。日本的京，IBM 的Mira和Sequoia和中國的神威藍光都是同構超算的代表。

申威26010和神威太湖之光則顯得比較特殊，如果用相同類(lèi)型指令集和體系架構的計算單元組成系統的計算方式來(lái)定義同構計算，那么，由于神威太湖之光只采用了申威26010，也許會(huì )被認為是同構計算。但實(shí)際上，神威太湖之光雙精浮點(diǎn)峰值高達125PFlops，穩定性能為93PFlops確實(shí)是采用加速器才取得的高性能——本質(zhì)上，申威26010是將CPU和加速器合二為一——申威26010的260個(gè)核心分為2種，一種是管理核心，發(fā)揮類(lèi)似CPU的功能，另一種是運算核心，發(fā)揮類(lèi)似加速器的作用，這就使申威26010單芯片能夠完成Intel E5+PHI，或Power+Tesla兩款產(chǎn)品的功能。

而且相對于Intel E5+PHI，或Power+Tesla，申威26010能夠實(shí)現共享內存，這就避免了Intel E5+PHI，或Power+Tesla必須面對的顯式拷貝，從而降低了對內存的壓力，并減小了性能損失。想必也是如此，申威26010的緩存和內存都顯得偏小，因為訪(fǎng)存模型可能非常單純——等于是放棄現有cpu的復雜內存管理模型，把內存調度的任務(wù)完全交給開(kāi)發(fā)者，只在CPU支持一個(gè)最簡(jiǎn)單的訪(fǎng)存模型，在硬件上沒(méi)有cache的硬件一致性要求（Intel KNL將Cache一致性交由硬件負責），將同步的工作交給軟件。這種異乎尋常的設計在申威26010擁有高性能和低功耗的同時(shí)，彌補了在內存上的短板。

神威太湖之光到底有多強？

神威太湖之光刷新TOP500排行榜，依靠的是其強悍的雙精浮點(diǎn)性能——其高達125PFlops雙精浮點(diǎn)峰值和93PFlops穩定性能讓世人驚嘆。

其實(shí)，除了擁有超強的雙精浮點(diǎn)性能之外，神威太湖之光還擁有整機效率高，整機功耗低、性能功耗比高，整機體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

高性能——神威太湖之光雙精浮點(diǎn)峰值高達125PFlops，穩定性能為93PFlops，相比較之下，美國超算泰坦的雙精浮點(diǎn)峰值高達27 Pflops，穩定性能為17.6 PFlops，天河2號的雙精浮點(diǎn)峰值高達54.9Pflops，穩定性能為30.65PFlops，由此可見(jiàn)，神威太湖之光在穩定性能是美國超算泰坦5.2倍。

高效率——神威太湖之光整機效率高達74.16%，相比較之下，美國超算泰坦的整機效率為65.19% ，而河2號的整機效率為55.83%，由于超算性能越強，規模越大，整機效率提升就越困難神威太湖之光在穩定性能是美國超算泰坦5.2倍的情況下，整機效率依然大幅優(yōu)于泰坦，整機效率之高簡(jiǎn)直令人驚駭。

低功耗——神威太湖之光的功耗為15.3 MW，美國超算泰坦功耗為9MW，天河2號為17.8 MW，可以說(shuō)，神威太湖之光的穩定性能達到天河2號3倍的水平，但整機功耗卻低于天河2號。

性能功耗比高——神威太湖之光的性能功耗比高達6G/W，相比之下，TOP500超算榜單上的競爭對手都相形見(jiàn)絀——天河2號的整機性能功耗比為1.95G/W，美國泰坦超算的性能功耗比為2.143G/W，美國超算紅杉整機性能功耗比為2.069G/W，日本超算“京”整機性能功耗比為0.830/W......即便是全球Green500排行榜，神威太湖之光也能排至第三位。由于Green500排行榜第一和第二的超算只采用了低功耗版的Intel E5，性能非常弱，而即便是采用英偉達K80加速卡的超算，其整機性能功耗比也只有4.7G/W。因此，神威太湖之光在性能功耗比上顯得格外耀眼。

小體積——神威太湖之光機柜占地605平方米，美國超算泰坦機柜占地面積404平方米，天河2號機柜占地面積720平方米。

結語(yǔ)

在CPU、操作系統、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )等核心部件全名自主化后，一些人以“超算性能過(guò)剩論”來(lái)指責神威太湖之光超算性能過(guò)剩，是面子工程，根本無(wú)用。

對于“超算性能過(guò)剩論”，筆者認為，對性能的追求是永遠不會(huì )停止的，計算用的代碼是可以修改計算精度的，如果有更好的計算條件用戶(hù)自然會(huì )提高網(wǎng)格密度或粒子數目，稍加修改就使計算精度提高了，高的精度可以用來(lái)解決更深一層的問(wèn)題。所以做性能多高的超算都不會(huì )性能過(guò)剩，做超算從沒(méi)有夠用的說(shuō)法。

正如奧林匹克格言“更快、更高、更強”，超算同樣只有不斷追求更快。

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