【技术解密】比美国超算快5倍，神威凭何登上全球超算榜首

【新智元导读】最新一期全球超级计算机TOP500榜单今日公布，中国自主研发制造的神威太湖之光取代天河2号名列第一，这个消息立即刷爆朋友圈。中科院计算所研究员、中国计算机学会青年计算机科技论坛（CCF YOCSEF）主席韩银和第一时间给出点评：

“太湖之光为啥这么牛？它拥有一颗巨强的“芯”-申威26010，上海高性能IC设计中心设计的国产高性能处理器。该处理器包含有260个处理核，单片峰值性能为3.06Tflops/s。天河-2单节点采用2个Intel Ivy Bridge处理器+3个Intel Xeon Phi类GPU加速器芯片，这5个处理器芯片峰值性能相加约为3.431Tflops/s，也就是说一颗申威芯片性能大致相当于天河-2中Intel 5个芯片的峰值性能之和！”

韩银和还总结了太湖之光的3个亮点：（1）总性能93P，比天河-2又快了3倍，比第3名美国橡树岭实验室的机器快了5倍，是第一台性能接近100P的机器；（2）采用了全国产众核处理器；（3）能效比达到6GFlops/W, 和Green500第一的日本机器能效比也就差不到10%，但太湖之光比日本机器规模大多了，这么大个头能效比控制的这么好，需要有独到的技术。

6月20日，第 23 届高性能计算（HPC）国际顶尖会议 ISC2016 在德国法兰克福举行，会上提前公布第 47 次 HPC TOP500 榜单，中国的神威太湖之光系统（Sunway TaihuLight System）排名第一。

神威太湖之光系统

在国家超级计算无锡中心1000平米的主机房内，整齐排布着两组共40个运算机仓，每个机仓容纳1024个芯片，共计40960个芯片。据介绍，其单芯片的计算能力相当于3台2000年全球排名第一的超级计算机，当前性能指标达到国际领先水平。

3 大突破

神威太湖之光由国家并行计算机工程技术中心研发，在无锡国家超算中心安装完成，2015年12月21日完成整机系统性能测试，目前由清华大学负责运营。

神威太湖之光运算峰值为 125.4 Pflop/s，持续性能 93 Pflop/s，比天河 2 号快了将近 3 倍，比排名第 3 的美国橡树岭实验室的机器快了 5 倍，也是国际第一台性能接近 100P 的机器。

美国Titan、天河二号、太湖之光参数对比

神威太湖之光每瓦特浮点运算次数达到了 6 亿次（世界排名第 2 到第 6 的超级计算机，这个数值都在 2 亿次左右），也即能耗比达到 6 Gflops/W，与 Green500 第一的日本机器相差不到10%，但太湖之光规模明显更大，因此实现的技术独到。目前，世界排名前 10 的其他超级计算机能耗比都在 2 Gflops/W 左右。

国家超级计算无锡中心主任杨广文教授在接受《人民日报》采访时表示，神威太湖之光一分钟的计算能力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。

杨广文说：“从低功耗、高集成度的处理器设计，到高速高密度的工程实现技术；从世界领先的高效水冷技术，到软硬件协同、智能化的功耗控制方法，‘神威太湖之光’实现了层次化、全方位的绿色节能，功耗比达到每瓦特60.51亿次运算。”

世界TOP6超级计算机参数

中国“芯”，No Intel Inside

ISC TOP500 榜单每年公布两次，根据超级计算机基准程序 LINPACK 测试值，评选全球最强超级计算机。

虽然我国处理器设计制造起步较晚、基础薄弱，但通过近十年政府支持和大力投入，目前我国在超算领域已经处于世界领先水平，也是继美国、日本之后，第 3 个研发出超级计算机的国家。

位于广州国家超级计算中心、由国防科技大学建造的天河 2 号，2013 年 6 月以 33.86 Pflop/s 的 LINPACK 测试值夺得TOP500 第一，并在接下来的 6 次榜单中蝉联冠军。

过去几年，中国工业和研究部门注册提交的系统数量剧增，中国现在入榜的超级计算机数量达到167台，超过美国的165台。

这也是TOP500榜单美国入围的超级计算机总数量首次跌下第一位。

1993年至今中国TOP500超级计算机数量

1993年至今美国TOP500超级计算机数量

但由于天河 2 号采用了英特尔处理器，2015年4月，美国宣布对中国禁售高性能处理器。

这次，神威太湖之光使用我国自主研发和制造的 CPU 处理器——申威 26010（SW 26010），采用众核+CPU架构，含有将近 1065 万个内核，主内存 1.31 PB。

申威260140芯片

搭载了两个核心组的电路板

SW 26010的芯片由上海高性能集成电路设计中心研发，含有 4 个核心组，每组含有 65 个内核，由64个计算核心（CPE）、一个管理核心（MPE）和一个内存控制器构成。

神威太湖之光核心组示意图

64个计算核心排列为8x8的矩阵。4个内存控制器总共提供了136.5GB/s的带宽。

每组内部有自己的专属内存空间，组间通过片上网络（NoC）进行通讯。片上网络还连接着系统接口（SI），供芯片同外部设备通讯。

神威太湖之光架构示意图

神威太湖之光专为提升运算速度设计，简单的架构正是它运算速度胜过其他高能耗 HPC 系统的原因。

不过，申威芯片采用定制64位指令集，频率处于中等水平（1.45GHz），而且每个核心只能执行一个线程（不支持超线程），软件支持也没有Intel那么丰富。

但尽管如此，中国凭借一个完全基于中国设计、制造的处理器打造的新系统，在国际TOP500组织第47期榜单上保持第一，TOP500声明中这样写道。

实现零的突破

除了TOP500，戈登贝尔奖（Gordon Bell Prize）也是世界关注的重点。

戈登贝尔奖被喻为 HPC 应用领域的诺贝尔奖，每年颁发一次，授予 HPC 领域杰出表现应用，旨在记录变形计算发展趋势，尤其是奖励高性能计算创新应用。获奖应用多为性能峰值最高，或在可扩展性方面取得特殊成就，或缩短及重大科学或工程问题时间。

2016年的6项提名中，神威太湖之光占了一半，分别涉及大气、海洋、材料三个领域的应用：一个完全隐藏的非静力动态解算机，用于云分解大气层模拟；一个高效的全球表面波，用超高的分辨率进行数值模拟；大规模的相场模拟，用于基于Cahn-Hillard方程的粗化动力，加上减少的移动性。

过去24年至今，世界排名第一的超级计算机

加速人工智能

航空航天、石油勘探、车船设计、军事应用、新药研发、生物信息、气候模拟……超级计算广泛应用在从实体经济到战略领域的诸多方面。因此，超级计算不仅仅是学术研究，也涉及国家政治问题。

HPC 是世界各国竞相角逐的科技制高点。

神威太湖之光采用中国自主设计和研发的芯片，在超算领域树立了新的标杆，在美国 X86 之外建立了新的生态，可以说中国有了自己的产业链，未来还可能向其他国家输出。

不仅如此，HPC 也是人工智能技术尤其是机器学习发展的关键之一，众所周知，训练神经网络除了数据，还需要巨大的计算能力。

神威太湖之光在 HPC 领域的成功，定能极大推动我国智能产业发展。

接下来，中国制造的神威太湖之光，将为全球提供超级计算服务。

图片来源：www.netlib.org/