各國競相研發百億億次超算 功耗是最大“攔路虎”

目前，有多個團隊正朝着研製出百億億次（exascale）超級計算機（以下簡稱超算）的目標挺進，但要實現這一目標，還面臨不少挑戰。英國《自然》雜誌在近日的報道中指出，降低超算的能耗非常重要，為此，科學家需要另闢蹊徑，在研製工藝上取得革命性突破。

競相研發E級超算

美國橡樹嶺國家實驗室正在緊鑼密鼓地研製超級計算機“尖峯（Summit）”。美國能源部希望在其2018年問世之日，這台投資2.8億美元的超級“怪獸”能助美國奪回超算界“扛把子”的頭銜。“尖峯”的運算速度被設計為每秒進行20億億次浮點運算，比目前世界上運行速度最快的計算機還快60%。

但對於喜歡“得隴望蜀”的計算機科學家來説，“尖峯”是他們的“隴右”，速度為其5倍的百億億次超算（也被稱為E級超算，被公認是“超算界的下一頂皇冠”）才是他們的“西蜀”，這意味着他們需要把現有最高計算性能提高10倍以上。

目前，全球有多個國家正競相研發E級超算。中國計劃於2020年推出首台E級超算；美國能源部啓動了“百億億次計算項目（Exascale Computing Project）”，希望於2021年至少交付一台E級超算，其中一台的名字為“極光（Aurora）”。據悉，美國在下一代超算技術方面的研發總投入將達到4.3億多美元，用美國能源部部長裏克·佩裏的話説，這些資金就是劍指“下階段研發百億億次系統的全球競賽”。此外，歐盟預計於2022年—2023年交付首台E級超算；日本發展E級超算的“旗艦2020計劃”由日本理化所主導，完成時間也設定在2020年。

超算之所以廣受關注，一方面是因為它體現了各國的綜合國力和科技創新能力；另一方面也在於它強大的能力。科學家估計，E級超算將在氣候科學、可再生能源、基因組學、天體物理學、軍事以及人工智能等領域大顯身手，幫助他們解決目前無法解決的難題，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等。

降低能耗是大挑戰

但理想很豐滿，現實很骨感，要想研製出E級超算，科學家面臨着極大的挑戰，功耗過高首當其衝。隨着速度和性能要求不斷提高，如果按現有設計方法，通過不斷增加處理器數量來研製超算，其體型和規模會越來越大，數據在存儲器和處理器之間進出所耗費的功率會越來越多。有人甚至預測，超算90%的功率將被用於數據輸送。

有科學家已對此提出警告。2008年，美國能源部高級研究計劃局（DAPRA）計算機科學家皮特·寇格領導的團隊發佈報告稱，“功率是E級超算面臨的最大問題”，以現有技術研製出的E級超算功率可能高達千兆瓦，需要一個專門的核電站來給它供電，這樣的超算顯然沒有太大實用價值。

隨着技術的不斷進步，2015年，寇格將功率估算值降到180兆瓦至425兆瓦之間，但這仍然遠超目前超算界龍頭、中國“神威·太湖之光”15兆瓦的功率。

美國阿貢國家實驗室計算、環境和生命科學實驗室負責人皮克·斯蒂芬斯表示，目前很多科學家致力於降低超算的功率，最近幾年湧現出了一批新興技術，比如，讓存儲器更接近計算器，減少數據行進的距離；讓高性能存儲器向三維擴展而不是朝二維延伸；超算與閃存結合；在芯片不使用時關閉其中的電路；改變電壓或頻率等來節省功率等。

需要革命性的方式

科學家表示，除了上述技術之外，要真正降低能耗，需要製造工藝上出現革命性的突破。英特爾微處理器技術實驗室原主管謝卡爾·博卡説：“漸進式的方法將不再管用，我們需要革命式的方法。”

據悉，中國首套E級超算系統的功率將不超過30兆瓦；法國可替代能源和原子能組織高性能計算專家簡-菲利普·諾米尼介紹稱，歐洲致力於將首套超算系統的功率保持在10兆瓦以內。

美國“極光”的功率被設計為40兆瓦，絕對最大功率為60兆瓦。英特爾公司目前正為其研製芯片，儘管相關細節仍未知，但英特爾公司高性能和百億億次計算首席架構師阿爾·加拉表示，公司目前正在開發一個新平台，包括新的芯片微體系結構等。而中國中科曙光目前正在研製的E級超算模型可能會採用與此前超算不同的方式。

《自然》的報道指出，美國也有專家認為，應該反思超算的發展方向，改變追求峯值運算速度的模式，而注重實用價值。Top500榜單創始人、田納西大學計算機科學家傑克·東格拉就稱：“速度並不意味着一切。儘管汽車達到300公里/小時的速度讓人驚歎，但大多數汽車的真正價值在於，在日常限速範圍內安全可靠地行駛。”

此外，研究人員也在思考未來十年如何超越E級超算，研製出速度更快且性能更佳的超算。他們認為，下下一代超算可能需要採用一些目前“小荷才露尖尖角”的技術，包括能模擬大腦內神經元操作的神經形態電路或量子計算等。