目前，有多個(gè)團(tuán)隊(duì)正朝著研制出百億億次(exascale)超級(jí)計(jì)算機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)超算)的目標(biāo)挺進(jìn)，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還面臨不少挑戰(zhàn)。降低超算的能耗非常重要，為此，科學(xué)家需要另辟蹊徑，在研制工藝上取得革命性突破。

競(jìng)相研發(fā)E級(jí)超算

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在緊鑼密鼓地研制超級(jí)計(jì)算機(jī)“尖峰(Summit)”。美國(guó)能源部希望在其2018年問(wèn)世之日，這臺(tái)投資2.8億美元的超級(jí)“怪獸”能助美國(guó)奪回超算界“扛把子”的頭銜。“尖峰”的運(yùn)算速度被設(shè)計(jì)為每秒進(jìn)行20億億次浮點(diǎn)運(yùn)算，比目前世界上運(yùn)行速度最快的計(jì)算機(jī)還快60%。

但對(duì)于喜歡“得隴望蜀”的計(jì)算機(jī)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，“尖峰”是他們的“隴右”，速度為其5倍的百億億次超算(也被稱(chēng)為E級(jí)超算，被公認(rèn)是“超算界的下一頂皇冠”)才是他們的“西蜀”，這意味著他們需要把現(xiàn)有最高計(jì)算性能提高10倍以上。

目前，全球有多個(gè)國(guó)家正競(jìng)相研發(fā)E級(jí)超算。中國(guó)計(jì)劃于2020年推出首臺(tái)E級(jí)超算;美國(guó)能源部啟動(dòng)了“百億億次計(jì)算項(xiàng)目(Exascale Computing Project)”，希望于2021年至少交付一臺(tái)E級(jí)超算，其中一臺(tái)的名字為“極光(Aurora)”。據(jù)悉，美國(guó)在下一代超算技術(shù)方面的研發(fā)總投入將達(dá)到4.3億多美元，用美國(guó)能源部部長(zhǎng)里克·佩里的話說(shuō)，這些資金就是劍指“下階段研發(fā)百億億次系統(tǒng)的全球競(jìng)賽”。此外，歐盟預(yù)計(jì)于2022年—2023年交付首臺(tái)E級(jí)超算;日本發(fā)展E級(jí)超算的“旗艦2020計(jì)劃”由日本理化所主導(dǎo)，完成時(shí)間也設(shè)定在2020年。

超算之所以廣受關(guān)注，一方面是因?yàn)樗w現(xiàn)了各國(guó)的綜合國(guó)力和科技創(chuàng)新能力;另一方面也在于它強(qiáng)大的能力。科學(xué)家估計(jì)，E級(jí)超算將在氣候科學(xué)、可再生能源、基因組學(xué)、天體物理學(xué)、軍事以及人工智能等領(lǐng)域大顯身手，幫助他們解決目前無(wú)法解決的難題，比如，以更高的空間清晰度模擬全球氣候變化、模擬宇宙演化及核試驗(yàn)等。

降低能耗是大挑戰(zhàn)

但理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，要想研制出E級(jí)超算，科學(xué)家面臨著極大的挑戰(zhàn)，功耗過(guò)高首當(dāng)其沖。隨著速度和性能要求不斷提高，如果按現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法，通過(guò)不斷增加處理器數(shù)量來(lái)研制超算，其體型和規(guī)模會(huì)越來(lái)越大，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和處理器之間進(jìn)出所耗費(fèi)的功率會(huì)越來(lái)越多。有人甚至預(yù)測(cè)，超算90%的功率將被用于數(shù)據(jù)輸送。

有科學(xué)家已對(duì)此提出警告。2008年，美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局(DAPRA)計(jì)算機(jī)科學(xué)家皮特·寇格領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)布報(bào)告稱(chēng)，“功率是E級(jí)超算面臨的最大問(wèn)題”，以現(xiàn)有技術(shù)研制出的E級(jí)超算功率可能高達(dá)千兆瓦，需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的核電站來(lái)給它供電，這樣的超算顯然沒(méi)有太大實(shí)用價(jià)值。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，2015年，寇格將功率估算值降到180兆瓦至425兆瓦之間，但這仍然遠(yuǎn)超目前超算界龍頭、中國(guó)“神威·太湖之光”15兆瓦的功率。

美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算、環(huán)境和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人皮克·斯蒂芬斯表示，目前很多科學(xué)家致力于降低超算的功率，最近幾年涌現(xiàn)出了一批新興技術(shù)，比如，讓存儲(chǔ)器更接近計(jì)算器，減少數(shù)據(jù)行進(jìn)的距離;讓高性能存儲(chǔ)器向三維擴(kuò)展而不是朝二維延伸;超算與閃存結(jié)合;在芯片不使用時(shí)關(guān)閉其中的電路;改變電壓或頻率等來(lái)節(jié)省功率等。

需要革命性的方式

科學(xué)家表示，除了上述技術(shù)之外，要真正降低能耗，需要制造工藝上出現(xiàn)革命性的突破。英特爾微處理器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室原主管謝卡爾·博卡說(shuō)：“漸進(jìn)式的方法將不再管用，我們需要革命式的方法。”

據(jù)悉，中國(guó)首套E級(jí)超算系統(tǒng)的功率將不超過(guò)30兆瓦;法國(guó)可替代能源和原子能組織高性能計(jì)算專(zhuān)家簡(jiǎn)-菲利普·諾米尼介紹稱(chēng)，歐洲致力于將首套超算系統(tǒng)的功率保持在10兆瓦以內(nèi)。

美國(guó)“極光”的功率被設(shè)計(jì)為40兆瓦，絕對(duì)最大功率為60兆瓦。英特爾公司目前正為其研制芯片，盡管相關(guān)細(xì)節(jié)仍未知，但英特爾公司高性能和百億億次計(jì)算首席架構(gòu)師阿爾·加拉表示，公司目前正在開(kāi)發(fā)一個(gè)新平臺(tái)，包括新的芯片微體系結(jié)構(gòu)等。而中國(guó)中科曙光目前正在研制的E級(jí)超算模型可能會(huì)采用與此前超算不同的方式。

美國(guó)也有專(zhuān)家認(rèn)為，應(yīng)該反思超算的發(fā)展方向，改變追求峰值運(yùn)算速度的模式，而注重實(shí)用價(jià)值。Top500榜單創(chuàng)始人、田納西大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家杰克·東格拉就稱(chēng)：“速度并不意味著一切。盡管汽車(chē)達(dá)到300公里/小時(shí)的速度讓人驚嘆，但大多數(shù)汽車(chē)的真正價(jià)值在于，在日常限速范圍內(nèi)安全可靠地行駛。”

此外，研究人員也在思考未來(lái)十年如何超越E級(jí)超算，研制出速度更快且性能更佳的超算。他們認(rèn)為，下下一代超算可能需要采用一些目前“小荷才露尖尖角”的技術(shù)，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(jì)算等。