中美在超级计算机TOP500中的明争暗夺

shuszhao

美国在最新TOP500超级计算机排行榜中重登超级计算机宝座，而中国持续在高性能系统数量方面领先，同时双方也在竞相推出exaflop级的超级计算机…
在最新出炉的《全球500强》(TOP500)超级计算机排行榜中，美国重新赢回超级计算机运算性能的龙头地位，但能够维持多久还有待观察。而中国不仅在高性能系统数量方面持续领先，同时也在竞争最先推出每秒百万兆浮点运算(exaflop；1018)计算机的排名。
最新的TOP500排名让美国暂居上风，但也显示中国在计算机技术方面持续精进。此外，这项最新排行榜发布时间，刚好就在中美两国间的贸易战升温之际——引发两国贸战的部份原因就在于双方对半导体政策的冲突。
从最新的TOP500排行榜还可看出，加速器继续驱动着全世界最强大的计算机系统，特别是英伟达(Nvidia)的图像处理器(GPU)。除了Nvdia，英特尔(Intel)以及总部位于日本的加速器制造商Pezy Computing也在此排行榜中崭露头角。
在历经没有任何一台系统挤进前四强的一年后，美国的超级计算机在这次的TOP500排行榜上分别名列第一和第三。美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory；ORNL)的“顶点”(Summit)超级计算机系统在Linpack基准检验上测得122.3 petaflops的运算效能，大幅领先之前中国“神威．太湖之光”(Sunway TaihuLight)的93 PFlops。（相关阅读）
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL)的Sierra系统，则以71.6 PFlops排名第三。Summit和Sierra都采用IBM Power 9处理器和Nvidia Tesla V100加速器，透过Mellanox Infiniband EDR互连4,300多个节点。
从Linpack的整体基准检验性能来看，美国的超级计算机以38.2%的整体表现，超越中国的29.1%，重登排行首位。就在6个月前，双方的排名位置还刚好相反。
如果采用新的高性能共轭梯度(HPCG)基准检验，测试结果还更加明确。Summit和Sierra系统分别以2.926 PFlops和1.79 PFlops领先在HPCG基准检验的排名。
相形之下，中国的太湖之光排名第六，成绩为0.481 PFlops。中国第二大系统天河2号(Tianhe-2)则以0.038 PFlops排名第49。其他的中国系统使用该基准检验的排名均在100名之后。
Linpack长期以来一直被视为是相对粗糙的原始理论性能测量标准。相形之下，美国田纳西大学教授Jack Dongarra说，HPCG使用的程序代码则测量7种运算指标，“更能强调数据的动态，特别是在许多实际应用中。”中国在全球最强大的超级计算机占有率不断增加（来源：Top500.org）
尽管这次暂时在性能方面小输，但中国目前在TOP500中拥有206台系统，较6个月前的202台系统更多，持续在TOP500超级计算机数量方面领先。而美国这次创历史新低仅有124台超级计算机，较2017年11月时的145台大幅减少。
此外，联想(Lenovo)目前拥有最多台计算机系统(119)，这是中国供应商首次在这个项成绩上脱颖而出。慧与科技(Hewlett Packard Enterprise；HPE)原本以122台系统领先，目前则只有79台。其后排名分别是浪潮集团(Inspur)、Cray和中科曙光(Sugon)，分别拥有68、56和55套系统。
排名第六的IBM仅列出19台系统，但由于Summit和Sierra超级计算机的采用，使其拥有在Linpack整体性能排名中占19.9%。Cray和联想则分别以16.5%和12%位居其后。
中国竞逐Exaflop目标
Dongarra表示，虽然中国在这次最新的TOP500排行榜表现不如预期，但自2016年以来一直在加速下一阶段的技术进展。预计中国将推出第一套在Linpack基准检验取得exaflop级运算效能的系统，甚至可能比美国更提前一年。
目前，在中国的三支团队正竞相打造约512个节点的相对较小原型系统，每个节点使用不同的架构。根据其开发结果可能决定哪一支团队将获得资金，打造最终的exaflop超级计算机，预计最早可能在2020年。
Dongarra表示，这三项计划由中国服务器供货商中科曙光以及天河、神威超级计算机背后的团队为主导。多家大学院校、研究机构和国家超级计算机中心均参与了这项合作计划。
中科曙光系统用于连接在6D环形网络上的10,000多个节点，每个节点使用与AMD共同开发的x86处理器。预计天河团队将采用同样用于天河2A中的本土Matrix 2000版本，可能再增加基于Arm的处理器或加速器。神威原型则大致上沿用太湖之光的多核心途径。
一年前，美国政府拨款了2.58亿美元，计划在2021年之前推出百万兆级(exascale)的系统。Dongarra表示，中国和美国共同的目标都在于提供一个支持30GFlop/W效能和超过500Gbits的exaflop系统。
在全世界最强大的系统中有越来越多都使用了加速器——在目前TOP500系统中就有110台系统采用加速器，比6个月前统计的101台增加了。Nvidia GPU是迄今最普遍获得采用的协同处理器，出现在其中的96台系统中，其中包括前10大系统中就有5台采用。
TOP500中有7台系统使用了英特尔的Xeon Phi协同处理器，日本的4台系统则使用相对较新的Pezy加速器。
有趣的是，在另一项测量节能效率最高的“全球前500强超级计算机”(Green 500)排行榜中，前三大系统都采用了Pezy加速器，而前十大的其余系统则使用Nvidia GPU作为加速器。在最新的TOP500超级计算机排名中，Nvidia持续扩张其加速器芯片供应商的领先地位
Dongarra说：“Pezy系统采用液体冷却方式——也就是说，整个系统浸没在液体中[通常是3M的Fluorinert版本]，这比透过板载空气或水更具有节能效率。”
Top 500中的大多数系统都使用英特尔Xeon CPU作为主处理器。此外，目前有将近一半(247套系统)都使用了10-Gbit/s以太网络作为其互连，在6个月前这一数字为228。
TOP500中采用相对更昂贵的Infiniband作为互连的系统，则从6个月前的163台减少到目前约139台。英特尔专有的Omni-Path互连在最新排行榜中则有38台系统，较6个月前的35台略高。

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