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| 本文作者： 精選轉載 | 2014-11-18 10:15 |
編者按：昨日，國外負責計算機運算速度測量的國際組織機構在美國發布了全球超級計算機500強最新排行榜。榜單中，中國“天河二號”超級計算機以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度獲得冠軍。這也是自從2011年以來，“天河二號”第四次贏得全球運算最快超級計算機的稱號。多次連任全球超級計算機冠軍，天河二號是否彰顯國家競爭力？
答案是肯定的！那么，為什么它能彰顯國家競爭力？這就需要知道這種超級計算機研制的難點在哪里。
現在全球投入使用或將要投入使用的超級計算機，幾乎全部都是集群式計算機。這種計算機簡單說就是將大量的微型計算機通過網絡系統連接起來，使用專用的操作系統控制來執行大規模的計算任務。搭建超級計算機所使用的節點，通常都使用市場上能買到的工作站/服務器使用的CPU、GPU等芯片。例如天河2使用的就是Intel的Xeon E5 V2處理器和Xeon Phi協處理器（后者類似GPU，負責一些特殊的計算任務），這兩種芯片都是在公開市場上銷售的。（Xeon E5 V2的正式銷售要等到第三季度）類似地，超算的內存、存儲單元等一般也是標準化的產品，沒什么特殊和神秘的。
超級計算機研發的真正難點在于網絡系統和軟件系統
集群計算機系統在處理單一計算任務時，集群中的各個節點之間的通信是非常復雜的。不僅節點間傳輸的數據量巨大，延遲要求嚴格，而且動輒就需要數百數千乃至上萬個計算節點之間同時傳送計算數據。當網絡系統的效率不足時，大量的數據會在網絡上發生擁堵，可能會極大地降低整套系統的運算性能。整臺超級計算機的運算速度越強，集群內的節點數目越大，對網絡系統的要求就越高。因此，網絡系統性能是硬件上制約超級計算機運算能力的最主要瓶頸。正因為存在這一瓶頸，廠商不可能通過無限制地堆砌節點數量來增加計算能力——當總的運算能力超過網絡系統最高負荷后，繼續增加的節點不僅不能提高計算能力，反而會讓性能下降。
另一方面，控制大量的計算節點執行同一個或少數一些計算任務，對軟件系統的要求是和我們日常接觸的應用完全不同的。軟件系統必須對硬件高度優化才能充分發揮硬件的潛力，否則就會產生瓶頸。此外，由于超算的節點眾多，少數節點損壞是家常便飯，軟件系統必須做到部分節點損壞時不影響任務的持續。當然，系統更不能頻繁出現死機、崩潰等情況，對穩定性的要求遠高過一般的家用、商用電腦。滿足這些要求的前提下，系統還需要做到盡可能的易于使用，這樣才便于執行多種多樣的計算任務，處理各行各業的需求。
因為以上兩大限制的存在，超級計算機的研制事實上是技術含量非常高的。節點的芯片隨便可以買得到，但網絡系統和軟件系統都是超算研發廠商自己的實力所在。
再來看看天河2
天河2使用了自主研發的網絡系統和操作系統，其中網絡系統使用了國防科大自主研發的，基于SPARC指令集的飛騰1500處理器來處理網絡數據，操作系統則是自主開發的麒麟。天河2目前有大約13000個計算節點，每個節點使用了兩顆Intel的Xeon E5-2692 V2 CPU和三張Xeon Phi 31sp Co-processor。Xeon E5-2692 V2是Intel開發的CPU，尚未上市，每顆CPU有12個核心，主頻2.2GHZ；Xeon Phi 31sp則是Intel開發的協處理器，專門用來執行密集浮點運算，其形態為類似顯卡那樣的PCIe擴展卡，卡上有一顆芯片和8GB高帶寬內存，芯片內有57個主頻約1GHZ的核心。Xeon Phi 的一個特點是浮點運算效率較低，其在運行浮點運算基準測試linpack時，實際性能只相當于理論最大運算性能的60%左右——相比之下，Xeon E5 CPU運行相同測試時的效率在80%以上。但是Xeon Phi的理論最大運算性能較高（每張卡1T Flops，亦即每秒1萬億次浮點運算），大大超過Xeon E5的212G Flops（每秒2120億次浮點運算），因此一張Xeon Phi的實際運算能力可以達到三顆Xeon E5的水平。
天河2的整機理論最大浮點運算性能達到54900TFlops，而實測運算性能達到33860TFlops，效率達到60%左右，這是非常不容易的：這意味著擁有1.3萬計算節點的龐大計算集群，效率和單個節點是差不多的水平。這說明天河2的網絡系統和軟件系統的水平是非常高的，在1.3萬節點的水平下幾乎沒有網絡和軟件瓶頸的出現。相比之下，一些較小的使用較落后網絡系統的超算，幾百個節點下的運算效率相比單節點的效率幾乎減半，說明瓶頸是非常嚴重的。現在的天河2只是完成了一期工程，未來通過增加節點和改用更快速的計算卡（后者類似于我們常說的電腦升級）預計可以達到超過5萬TFlops的運算能力，這都要感謝國防科大自主研制的高性能網絡系統和軟件系統。
對于現代工業國家來說，超級計算機是增強研發能力、增強工業競爭力的一個重要的環節。一臺超算既可以處理少量的超大計算量的任務（比如軍事上模擬核試驗），也可以處理大量的計算量較小的任務（比如為眾多用戶同時處理不同的計算需求，如計算產品的流體測試數據、為電影后期進行三維渲染、為學校物理實驗提供科學計算支持等），其用途是十分廣泛的。國內已經建成的超算中心都有各行各業的大量用戶在使用，效益還是很不錯的。經過多年發展，中國的超級計算機研發能力已經達到了僅次于美國日本的水平，在世界上屬于第一梯隊。雖然與美國的差距仍然較大（主要體現在核心芯片與軟件系統上），但發展的前景是越來越好的。很多外行不明就里，動輒就說超算就是堆芯片沒有技術含量，其實只是在證明自己的無知與自大罷了。
補充介紹下，除了超級計算機以外，12306的訂票系統也屬于大規模計算應用中的兩個范疇，后者的任務是大規模實時整數數據處理，而前者的任務是大規模非實時浮點運算。任務類型的不同決定了兩者的系統要求有著巨大的差別：用于訂票系統的集群要求有非常高的I/O處理能力，足夠快的響應速度和極低的錯誤率；用于超算的集群則要求非常高的浮點計算能力，不需要實時響應，也不需要那么高的IO處理，對錯誤率的容忍也更好。用超算系統的技術去做訂票系統，前者的高浮點能力毫無用途，卻缺乏后者需要的實時性能和IO能力，結果只會一塌糊涂。
文章作者：王強，內容來源知乎，經本人授權轉載，轉載須經本人同意許可。
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