探訪中美超算競爭最前沿——阿貢實驗室
日經中文網7月30日消息，新一代超級計算機的研發競賽日益激烈。3月美國能源部宣佈，美國首個“E級”新一代超算“極光”號2021年將在位於芝加哥的阿貢國家實驗室上線。超算保有量位居世界第一的中國將在2020年、日本將在2021年前後上線該級別的新一代機型。在中美高科技主導權之爭日益激化的情況下，決定未來國力的超算競賽的走向受到了各方關注。
阿貢國家實驗室正在建設容納超高速超級計算機“極光”的大樓（美國伊利諾伊州）
E級新一代超算每秒可完成“1E＝1百億億（10的18次方）”次浮點運算。阿貢國家實驗室介紹稱，相當於“全球70億人同時在每秒內每人運算1.5億次”。
有望成為美國首台E級超算的“極光”由美國能源部撥款5億美元，委託半導體巨頭英特爾公司和超算製造商克雷公司生產，將為航天領域的模擬試驗、個性化醫療、太陽能電池研發提供幫助。
文章作者從芝加哥往西南方向驅車約45分鐘，訪問了即將引入“極光”的阿貢國家實驗室。這裏環境優美，多座建築分佈在約6平方公里的廣闊園區內，彷彿大學的校園一樣。正在建設當中的“極光”號專用大樓也映入眼簾。
成立於1946年的阿貢國家實驗室是美國能源部下屬的17個國家實驗室之一，由芝加哥大學運營。世界上首次成功實現可控核裂變的物理學家恩里科·費米創設的“曼哈頓計劃”是其起源。
“是美國公民嗎？”
經過嚴格的安檢之後車輛才能被放行，在設有傳達室的建築內進行訪客登記。也許是為了保密管理，文章作者還被問過“您是美國公民嗎？”。順利拿到入館證後，文章作者前往計算科學部門的TCS大樓。
前來迎接的研究人員邁克爾·帕普卡留着長長的鬍子，讓人印象深刻。他擔任超算部門ALCF的主任，帶文章作者參觀了目前正在運行的運算速度世界排名第21的“Mira”。
一進入機房，耳邊就傳來用於降温的空調系統的巨大聲響。48台黑色機櫃一字擺開，表面塗着讓人聯想到太空的鮮豔圖案。“Mira”的運算速度為“極光”的100分之1。
阿貢國家實驗室的高速超級計算機“Mira”的內部
帕普卡介紹説，投入高性能超算是當務之急。傳統的超算應用範圍主要集中在基礎科學領域，但近年來增加了AI（人工智能）、數據分析、應用工程領域，需求在迅速擴大，處於供不應求的狀態。
美國對新一代超算的研發可追溯到前總統奧巴馬執政時期。奧巴馬於2015年頒佈總統令，制定了國家戰略計算計劃（NSCI）。在美國能源部、國防部、國家科學基金會的主導下啓動了研發計劃。隨後特朗普政府繼承了這一計劃，如今能源部下屬的3個國家實驗室正計劃上線超算。在美國國內，各方都在爭取成為“美國首家”而展開競爭。
超算全球500強榜單“TOP500”的創設成員、田納西州大學教授傑克·東加拉（Jack Dongarra）教授透露，在美國，除阿貢國家實驗室外，橡樹嶺國家實驗室也計劃在2021年上線“前沿”（Frontier）號，承擔核試驗等任務的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室則計劃2022年上線“El Capitan”號，這些均為E級超算。但在研發過程中有可能遇到無法預料的障礙。傑克·東加拉教授指出，“最先登頂的未必就是阿貢國家實驗室”。
讓我們回顧一下超算的競賽歷史。TOP500榜單每年發佈2次，分別在6月和11月公佈處理性能的排名。該榜單創設於1993年，至今已過去了四分之一世紀。在創設之初，美國佔據了絕對優勢，但在過去10年中國迅速發力，確立了優勢。
中國國防科學技術大學（NUDT）憑藉“天河一號”於2010年11月首次登上榜首。隨後一度被美國超越，但2013～2017年的5年間，升級後的“天河二號”和採用國產技術的“神威太湖之光”接連佔據榜首，2016年中國首次在超算數量上超過美國。
美國首個超高速E級超級計算機“極光”預定2021年上線（照片來自英特爾公司）
與此同時，美國在2016年的最高名次降至第3位，2017年11月再降至第5，但隨後發起反攻，2018年6月憑藉橡樹嶺國家實驗室的“頂點”再次奪回榜首位置。在當年11月的最近一次排名中繼續保持第一，美國也在榜單前10中佔到了一半。
中國的超算保有量位居第一
美國儘管奪回了性能榜首的位置，但在保有量上遠遠落後於中國。在TOP500榜單上，中國達到227台，佔到總數的45％，而美國只有109台，佔比25％，為歷史最低。
日本的保有量為31台，在中美之後位列第3。NEC的“地球虛擬器”曾在2002年6月至2004年6月期間佔據榜首，隨後“京”號也於2011年登上榜首。在截至2018年11月的超算節能排行榜“綠色500”上，日本的“菖蒲”（Shoubu）位居第一，現在正計劃2021年前後將E級超算“Post京”上線。
新一代超算正在拓展人類未來的可能性。有望在破解宇宙之迷、遺傳基因和人類大腦研究、改變產業界的新材料及新能源開發、國防等領域推動革命性的研究。
超算競賽的未來會是怎樣的走向呢？
文章指出，中國正在製造3台Pre Exascale（達到E級之前的階段）的原型機，有人預測“最先登頂的很可能是計劃在2020年上線的中國。美國恐怕是第二個”。從長遠來看，中國的崛起和美國的衰落趨勢仍將持續，“中國的優勢在不斷擴大”。與眼前商業利益沒有直接關係的科學話題不容易受到廣泛關注，但隨着中國靜悄悄地擴大優勢，特朗普肯定有坐不住的時候。