新一輪超算競爭：吞金巨獸，走到技術極限？

富士通獨自開發的“富嶽”心臟CPU“A64FX”，左邊是CPU存儲單元，中間是A64FX芯片。 本報記者 陳超攝

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日本最新超級計算機被正式命名為“富嶽”（曾稱為“後京”）。這台由日本理化學研究所和富士通公司聯合設計製造的超級計算機，運算速度超過目前日本最快計算機“京”的100—120倍，在2020年投入運行後，將爭取登上世界第一的寶座。

不過，世界第一的排名隨後可能就會被中美新的超級計算機趕超。雖然將要排名的世界第一可能是短暫的，但會給當權者爭了面子，給理化學研究所爭了地位，給富士通掙了銀子，最重要的是給日本國民爭來了自信。

科技日報記者近日就“富嶽”超級計算機，以及超級計算機的未來發展等問題採訪了富士通公司的宋志毅博士。宋志毅參與了“京”和“富嶽”超級計算機的設計和總裝，也是“數字退火”量子計算機的研發者之一。

“富嶽”超算 性能超羣

宋志毅介紹，理化學研究所將在8月30日停止供電，分步驟拆卸超級計算機“京”，同時開始組裝“富嶽”。文部科學省為“富嶽”投入了1100億日元，預計2020年開始運行。

“富嶽”繼承和加強了“京”的構架，也繼承“京”的程序遺產，以保證高實用性。“京”目前主要應用包括：在天氣預報精度上，可以同時處理世界各地的氣温、氣壓和風速，預測天氣下一步的變化；首次對汽車空氣阻力進行高精度模擬，節省了新車開發費用和時間；在科學研究方面，描繪地球暖化後的未來世界，解釋宇宙中物質誕生的機理，探索大災難發生時最有效的避難方法等。

而“富嶽”系統綜合能力超羣，其消耗電力性能、計算能力、使用簡便性都將是劃時代成果。“富嶽”的運算能力超出“京”的100—120倍，耗電為30兆瓦—40兆瓦（“京”耗電為12.7兆瓦），並設計為適合深度學習等人工智能領域的廣泛應用。

世界競爭 日益激烈

超級計算機的國際競爭異常激烈。在資源探查和武器開發領域，是否擁有高速計算技術和能力對安全保障和產業影響巨大。

1990年代初期，個人計算機正式從16比特進化到32比特。64位精簡指令處理器（RISC）出現並應用於商用計算機領域。當時，超級計算機商業大戰正處於鼎盛時期，採用專用的矢量型處理器可以同時處理大量運算，美國處於領先地位。

隨後，由通用處理器組成的標量（並行處理）類型出現，超級計算機轉移到標量類型。注重矢量型超級計算機的是日本電氣股份有限公司（NEC），在每半年評比一次的超級計算機500強排名中，NEC和日本海洋研究開發機構開發的“地球模擬”超級計算機在2002年獲得世界第一，這一紀錄保持了兩年半之久。“地球模擬器”向世界展示了日本的實力。但自2004年被美國IBM奪回第一名之後，日本遠離了超級計算機性能排行榜的前幾名。由於超級計算機的開發投資龐大，所以被稱為吞金獸。

日本在超級計算機領域的再次輝煌是“京”時代。2011年，理化學研究所和富士通合作設計製造的超級計算機“京”又一次坐上了世界第一的寶座。超級計算機重新被定位為日本國家根本的基礎技術。

近幾年來，在超算第一名競爭中出現了中國身影。中國超算連續5年在競爭中排名第一。直到2018年11月，美國能源部所屬奧克里奇國家實驗室與IBM製造了“頂點”超級計算機，重新奪回了世界第一的位置。“頂點”旨在將“CPU+GPU”處理器組合起來，根據用途分擔擅長處理的“異構計算”。

另一個潮流是英國ARM方式處理器。該處理器也被認為是“後英特爾”。“富嶽”的心臟新型64位處理器“A64FX”就採用了ARM方式。

今年5月，美國公佈了新型超級計算機“前沿”的開發計劃。“前沿”與“富嶽”一樣，將應用在人工智能等領域，新一輪的超算競爭或許會在美日之間擦出新的火花。

接近極限 尋求突破

宋志毅認為，超級計算機以及支撐超級計算機系統的半導體技術已經接近目前基礎科學的終極。世界主要幾個國家正在研究遠超目前超級計算機運算速度的數字退火計算機以及未來的量子計算機；在半導體領域，目前半導體工藝上做得再精細，極限是1納米，而現在已做到了3納米。科學家正在努力尋找非半導體的下一個突破，而突破何時到來尚不可知。

宋志毅説，日本的超級計算機規劃更像是走一步看一步，也許説不定什麼時候就冒出一個新技術，但太長遠的規劃趕不上形勢變化。超級計算機是個吞金獸，超算的發展需要鉅額資金。就日本而言，在技術和設備上，理化學研究所是做不出整機的，必須有企業合作才能發展；而富士通已沒有財力，必須依靠日本國家預算。有財力的只有日立公司，但其已退出超算領域，想要重新拾起，除非政府給與資金支持。另外，因需求不旺，據稱“京”常處於“吃不飽”狀態。

（科技日報東京8月21日電）