從天河二號到神威太湖之光，中國多次登頂世界超算500強，無愧于超算大國之名，而在向超算強國蛻變的路上，中國再次有了突破性的進展，在不久的將來，或能摘下超算領域的“下一頂皇冠”——E級超算。近日，據媒體報道，2016年天津超算中心同國防科技大學合作，啟動了新一代百億億次超級計算機樣機系統的研制，目前已經取得了階段性成果，預計2017年底能夠研制成功。
天津市人大代表、天津超算中心應用研發工程師張婷出席本月17日舉行的天津市第十六屆人大六次會議時，介紹了有關新一代百億億次超級計算機一些信息。
據國家并行計算機工程技術研究中心此前透露，該中心牽頭的“E級高性能計算機原型系統”研制項目正式啟動，目標10倍于目前世界最高水平。這標志著包括核心處理器在內的全國產化百億億次超級計算機步入實際研發階段。
張婷介紹說，新一代百億億次超級計算機預計2020年研制成功并建成投用，它的計算能力將是目前中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”的200倍。
除了在計算能力上的拓展，更重要的是技術的突破，它在計算密度、單塊計算芯片計算能力、內部數據通信速率等方面都將得到極大提升，而且，它將是國內自主化率最高的超算，包括自主芯片、自主操作系統、自主運行計算環境等。
張婷表示，新一代百億億次超級計算機研制成功后，將依托超級計算平臺，開展高性能計算、云計算、大數據等方面的綜合應用，在支持國家科技創新、支持區域產業服務等方面開展新的應用創新。
超算領域的有力競爭者
全球超級計算機500強排行榜主要編撰人之一、美國勞倫斯伯克利國家實驗室副主任霍斯特·西蒙曾說，中國在高性能計算領域已經取得巨大進步，正成長為全球超算舞臺上的有力競爭者。
西蒙說，超算對科學、經濟與軍事等多個領域具有重要意義，自2000年以來中國在超算技術方面大力投資，現在中國在這個領域已經到達“一個非常、非常、非常有競爭力的階段”。
但西蒙并不認為中國已經成為超算強國。他說，超算是一個整體生態系統，它包括硬件、軟件、應用以及培訓下一代科學家等，此外大學、研究機構和企業也應積極參與其中，但要同時做到這些不同方面非常困難。中國在努力去做美國可能花了20年做的事情，希望能在較短時間內完成這些工作，但“我認為中國還是需要稍微長一點的時間。從這個意義上說，中國仍然還有一系列事情需要去完成”。
中國在超算應用上的進展讓西蒙印象深刻。他回憶說，2010年“天河一號”在超算500強榜單上奪冠時，這個超算系統距應用還有很長的距離；但去年6月“神威·太湖之光”登頂榜單時，中方就介紹了好幾個應用，這些應用都很棒，而且中國科學家現在也以更快的速度學會怎樣使用這個系統。
“我認為已經有了很明顯的進展，”西蒙說，“中國可能還有一些其他的不足，但很顯然，考慮到硬件有了、應用有了、基礎設施有了，有很多支持，中國在使用超算上已經取得巨大進步?！?/p>
西蒙認為，中國超算發展不僅僅是超算自身的事，還關系到中國半導體行業的發展。中國每年進口的芯片數額巨大，存在巨大的半導體貿易赤字，所以中國發展超算是減少這種赤字的“一個很好的深思熟慮的”戰略的一部分。
“中國進口了大量半導體（指芯片），而今天半導體在所有地方都有應用，尤其在空間領域和汽車行業。物聯網也是到處需要芯片，所以中國要發展高端生產，顯然需要在半導體方面大量投資，以取得更大的國內生產份額。我認為這是一個大問題。超算只是整個戰略的一部分，”他說。
搶灘E級超算
“神威·太湖之光”成為世界最快超級計算機后，美國、日本、歐洲等國先后制定了自己的E級超算研發計劃，并將相應計劃的完成時間表設定在了2020—2022年。中國也將百億億次超級計算機及相關技術的研究寫入了國家“十三五”規劃，同時也希望在2020年左右實現。
不過，百億億次超級計算機的建造難度并不僅僅在于速度的提升。中科院計算所研究員、中國計算機學會高性能計算專委會秘書長張云泉介紹說，研發E級超算實際上面臨著編程墻、功耗墻、可靠性墻和存儲墻幾個“大墻”的圍堵，如何越過這幾堵墻，面臨很大的挑戰。
在“神威·太湖之光”以自主芯片和操作系統獲得接近十億億次的計算速度之后，中國看到了自主研發E級超算的希望和曙光。在國家“十三五”高性能計算專項課題中，我國公示出了三個分別由中科曙光、國防科技大學以及江南計算技術研究所牽頭的E級超算的原型系統研制項目。
為何研制？
這既是很多人的問題，也是超級計算機發展面臨的矛盾。超級計算機性能不斷提升，但由于能耗越來越大，而應用范圍卻并沒有相應擴大。
“超級計算機在高性能與通用性方面一直存在矛盾?！敝锌圃涸菏坷顕苁鞘锕夤镜拈_創者之一，研制了我國第一臺對稱式結構計算機——曙光一號。
曙光公司總裁歷軍說，超級計算機在性能不斷提升的同時，面對著存儲、可靠性、能耗、擴展性以及應用創新等問題。在每秒10億次計算能力的時候，超級計算機主要是用于工程計算或者科學計算，但是到了百億億次計算能力時，已經很難有一個題目需要這么大的規模，傳統的科學計算領域已經很難找到這樣的題目了。
“所以超級計算機未來向何處發展是擺在我們面前最最重要的挑戰。在E級應用創新方面，我們希望把傳統的超級計算機的應用向云服務和數據處理去延伸?！睔v軍介紹，在這些方面曙光公司已經做了大量工作。未來最新的E級超級計算機的應用可能來自于云計算、云服務，來自于大規模的數據處理。
“對于E級計算機來說，應用是最大的挑戰?！笔锕夤靖笨偛蒙圩谟幸谎砸员沃叭绻売嬎銠C技術不能在市場上獲得應有的回報，這個市場會萎縮，研發投入就會萎縮?！?/p>
生命科學、流體空氣力學、仿真、氣象、氣候、環境等是超級計算機傳統的幾大應用，而超級計算機如何與云計算、大數據、人工智能相結合是新的發展方向。
中科院計算所研究員，中國計算機學會高性能計算專委會秘書長張云泉指出，E級超算可以應對一些具有重大計算的需求，如全球氣候變化模擬、天體物理大數據的處理、模擬宇宙的演化、模擬新型材料及核武器等。同時，除了科學計算，它也將在深度學習、大數據、云計算等領域發揮重大價值，幫助提高人們對各領域日益劇增的海量數據處理利用的能力，并從中發現新事物、新規律和新機會。因此，E級超算具有極高的科學、社會、經濟和產業生態價值。
人才儲備漸多
一直以來，高性能方面的人才培養都是國內教育的一大難題，而培養之后的人才也非常容易流失。聯想集團首席科學家祝明發博士認為：高性能人才培養主要是兩個方面，一個是學校，另一個是需要應用渠道，因為就業就需要高性能事業本身的發展。
高性能計算和高性能計算機不是一個概念，大部分都是高性能計算化學、材料科學，這方面的人才培養不僅是計算機專業，還有物理、數學、材料科學、地理勘探等等，他們這些專業都要學習高性能計算機知識，還要學習高性能計算機的軟件編程以及并行算法。這些完全是靠應用來驅動，各個學校、各個單位都是非常重視。
另外就是高性能計算機本身的硬件和系統軟件，系統軟件方面的人才培養一定要是通過高性能計算機的研制和生產。高性能計算機現在規模已經很大了，這方面人才培養就是很多的高性能計算機科研項目和國家項目。這些專項對于支持高性能計算機軟硬件的研發就直接推動了人才的培養，因為科研項目首先是推動研究生、博士生和碩士生，另外就是一些學校已經對本科生開設高性能計算課程。
在九十年代初，國內高性能計算產業沒有起來，很多人才都去了硅谷或者紐約，但是現在的情況已經完全不一樣了，因為國內不管是產業規模還是應用規模都起來了，需要大量的人才，這個行業目前的待遇也不算太低，所以還是對人才有很大的吸引力。
附超級計算機的性能指標及高性能計算簡史
超級計算機的性能指標
Top500 排行榜
幾十年來，超算性能的定義等同于計算速度，以flops衡量。Top500以運行LINPACK基準測試所能達到的最高性能Rmax（單位：Tflops）對500個超算系統進行排名。排行榜同時提供很多有用的信息，包括制造商、地點、核數、網絡互連技術等。表1為2016年6月排行榜前10的超算，其中Rpeak（單位：Tflops）代表理論峰值速度。
10臺超算中，中國的超級計算機位居前兩位。其中2013年7月發布的天河二號，已經在此之前連續6 次以33.86Pflops的運行速度排行榜首。其他4臺在美國，日本、瑞士、德國和沙特阿拉伯各有1臺。
Green500 排行榜
在持續幾十年的運行速度的競賽中，建造和能耗的預算并不在考慮之中，但從業者逐漸發現超級計算機正面臨著能耗過高的限制。2007年，側重于超算能效的Green500排行榜開始發布。用電效率Mflops/W，即每W 功率可以支持多少Mflops的運行速度。最近，Green500和Top500宣布合并使用同樣的提交規則來標準化能耗測量標準。相關的說明文檔詳細規定了能耗測量所需要考量的因素，并設定了由低到高3種測量品質。這對提交的數據提出了更高的要求，以保證最后能效排名的準確性。同時Green500和Top500依然是不同網站上獨立的兩個排行榜。
表2為2016年1月Green500榜單前10位系統，出人意料的是，Green500上大多數高排名的超算沒有在Top500的前列出現。通常節能型的超級計算機是在給定的能耗限制下仔細設計建造的，以求達到可能的最高能效。通常這些機器規模較小，能耗只有幾萬瓦。制造同時擁有頂尖計算速度和高能效的大規模超級計算機依然是一項具有挑戰的任務。
Graph500 排行榜
Top500排行榜采用LINPACK基準測試超級計算機在解稠密線性方程組時的性能。然而對于超算系統在包括數據密集型應用在內的許多其他應用中，Top500并沒有提供有用的信息。2010年，一個小組開始著手研究大數據應用方面的新的性能基準，并在當年發布了Graph500。該基準用于衡量超算通信子系統的性能，它測量的是在一個大型無向圖上執行廣度優先算法時，每秒遍歷邊緣的數量，單位為Gteps（每秒10億遍歷邊緣數）。
該基準包括一個可擴展的數據生成器，可以生成包含所有邊起點和終點邊的數組。第一個核心進程生成一個無向圖，其格式能夠被接下來所有的核心進程所用。此后不允許任何改動，以防止某些核心進程會因此獲益。第二個核心進程則是對生成的圖執行廣度優先算法。兩個進程都進行計時。根據輸入規格大小分成6個問題類型：從最小1010字節的“toy”到1015字節的“huge”。
Graph500還是一個非常年輕的項目。最新的排行榜只列出了211 臺超算，離真正500 有一段距離。大多數Graph500的小規模超算并沒有出現在Top500上。大約70％的Graph500超算系統來自美國和日本（表3）。
高性能計算簡史
高性能計算技術源于現代計算機工業。20世紀40年代到60年代，可以稱為第一代超級計算機時代。第一代超級計算機的出現源于軍方的需要。二戰期間，需要手工計算彈道。1943年到1946年間，美國第一代計算機ENIAC應運而生。其間，納粹Enigma密碼機的破譯極大歸功于英國的Bombe和Colossus計算機。二戰以后，美蘇兩大陣營冷戰，核武研制、飛機潛水艇設計、情報收集處理和代碼破譯的需求驅使計算機朝更強的超級計算能力發展。
1964年，CDC公司的CDC6600具備了每秒50萬次浮點運算的能力，第一次被冠以“超級計算機”的名稱。1975年到1990年，超算進入了所謂“克雷時代”。1972年Seymour Cray成立了自己的專事超算設計制造的公司。Cray 1采用了標量和向量處理器，80 MHz時鐘，133Mflops。發展到1982年、1988年的Cray X-MP和Cray Y-MP分別達到105MHz和167MHz，采用2、4或8個向量處理器，計算峰值達200Mflops和333Mflops。
20世紀80年代，超級計算機的設計主要得益于兩個架構，一是向量處理器，二是共享內存的胖節點。1990年到2010年間，超算進入了集群時代。隨著Unix和Linux服務器的普及，超算進入了真正有效的并行計算時代，此時胖節點的小型機遇到了內存瓶頸。以太網和高速網絡的出現使得其后出現的將單臺服務器通過網絡互連的分布式內存計算大行其道。1994年，NASA的唐納德·貝克和湯姆斯特林用個人計算機和以太網硬件搭建了第一個計算集群，將16臺英特爾486DX臺式機用10Mb以太網連接起來，起名為Beowulf集群，用當時的5萬美金成本搭建了1Gflops的超算系統，這是現在Top500中占最大份額的高性能計算集群的源頭。
從2000年到現在，高性能計算進入了采用GPGPU加速器的異構計算時代。21世紀初，由于處理器的發展進入了多核到眾核的時代，使得計算機群呈現了混合集群模式。
隨著大數據和人工智能技術在互聯網、自動駕駛、機器人等領域的回暖，新的對計算和數據遷移的壓力，使得異構混合集群更成為高性能計算的主流架構。深度學習、神經網絡和量子計算的引進成為新趨勢。從計算的角度，當前高性能計算技術的階段，可以總結為一句話：“計算近乎免費，而數據移動是昂貴的。”中國自己的超算發展，也沿襲了一條從小型向量機到混合異構計算集群的發展道路。