全球超算競賽，美國贏了嗎
本報記者 馬 俊 本報特約記者 陳 山
美國最新超算，性能強在哪兒？
國際超算大會（ISC）5月30日在德國漢堡發佈了最新版全球超算TOP500榜單，美國橡樹嶺國家實驗室的新型超算“前沿”（Frontier）以壓倒性優勢成為全球最快超算。尤其讓外界關注的是，“前沿”也是全球首台正式發佈的每秒浮點運算速度超過百億億次的超算（簡稱“E級超算”）。在與中國爭奪全球首台E級超算的“軍備競賽”中獲勝，美國媒體的興奮溢於言表。
美國《紐約時報》5月30日稱，“前沿”讓美國在超算領域重新奪回了令人豔羨的世界第一，對於這項在科學、醫學和其他領域發揮重大作用的技術來説，是一大里程碑。根據全球超算TOP500排行榜數據，“前沿”將超算的算力計量單位推進了一步——原先用於描述超算算力的計算單位是Petaflop/s，即每秒浮點運算千萬億次，而“前沿”登頂榜首的同時，也首次讓每秒浮點運算能力百億億次（Exaflop/s）出現在全球超算TOP500排行榜上。它的理論運算峯值為1.685 Exaflop/s，在Linpack基準測試中為1.102 Exaflop/s。“‘前沿’不僅成為有史以來最強大的超算，也是第一台真正具有百億億次浮點運算能力的超算”。《日本經濟新聞》5月31日也不無羨慕地説，“前沿”與2020年6月開始連續4次蟬聯全球超算TOP500榜首的日本“富嶽”（Linpack基準測試442.01 Petaflop/s）拉開兩倍以上的差距。
在美國“前沿”和日本“富嶽”之後，排在第三位的是歐洲高性能計算聯合會在芬蘭建造的“LUMI”。根據該榜單，在排名前十的全球最快超算中，美國佔據了5席，而中國僅佔有兩席，分別是排名第六的“神威·太湖之光”和第九的“天河二號”。
全球超算TOP500排行榜每半年更新一次，近年來中國、日本和美國超算都曾奪得“全球最快超算”的桂冠。但為何這次“前沿”奪冠如此受到外界關注呢？中科院計算所研究員張雲泉5月31日接受《環球時報》記者採訪時表示，關鍵就在於“前沿”是全球首款公開發布的E級超算。張雲泉介紹説，業內對E級超算標準有着嚴格定義，要求以高精度Linpack基準測試作為其性能的衡量標準，這也是全球超算TOP500榜單的參考基礎。同時，E級超算的功耗還不能超過40MW。
對於E級超算，業內認定分為三個層次：第一層是超算的運行峯值性能突破Exaflop/s，第二層是在Linpack基準實際測試中突破Exaflop/s，“前沿”實際已經達到這個層次。第三層的要求更高，在應用運用中的速度超過Exaflop/s。
張雲泉表示，“前沿”的性能指標的確相當不錯。但它在體系架構上沒特別的驚喜，沿用了中國率先開創的CPU+GPU的技術路線。“真正讓人感到吃驚的是‘前沿’的功耗出乎外界意料的低，只有20MW，還不到業內40MW標準的一半。”
為何各國爭相研製E級超算
業內對於E級超算的標準如此嚴格，從側面也證明了各國對它的重視。美國甚至將“搶先研製出E級超算”當成美國保持科技領先的國家形象工程。張雲泉介紹説，美國目前在同時推進三個E級超算項目。除了“前沿”外，美國能源部下屬的阿爾貢國家實驗室在承建另一台美國E級超算“極光（Aurora）”，它採用英特爾公司專為融合人工智能技術和高性能計算而設計的一系列新技術。美國正在研製的第三台E級超算是更為雄心勃勃的El Capitan，號稱峯值性能要達到2 Exaflop/s以上。
張雲泉表示，除了美國和中國外，日本、歐洲、俄羅斯和印度也都有研製E級超算的規劃。但從目前看來，即便是資金和技術能力最強的日本也已遭遇挫折。“富嶽”僅在特定情況下（用於人工智能模型訓練的混合精度Linpack基準測試）運算速度能突破1 Exaflop/s，而且它的功耗特別高，達不到E級超算的標準。《日本經濟新聞》稱，在後“富嶽”時代，日本要想繼續研製E級超算需要投資1000億日元以上，“財政狀況嚴峻的日本難以與中美等國持續展開超算競賽”。
為何各國不惜重金也要爭先研製E級超算呢？張雲泉介紹説，首先，人類對於計算速度的追求是永無止境的。為破解自然科學的很多難題，需要計算非常複雜的方程組，對於運算速度的要求非常高。他舉例説，超算在天氣預報模型中有廣泛應用，它的計算速度越快，對於複雜氣象的預報精度也就越高。
超算還被廣泛用於創新藥、新材料等領域。日本“富嶽”就被用於篩選適合治療新冠肺炎的藥物，它可以極大提升效率，降低創新藥的成本。
此外，目前新興的人工智能技術也成為超算大展手腳的新戰場。從發展趨勢來看，“前沿”在設計上專門進行了優化，既可以支持科學研究的高精度計算，也可以支持人工智能技術的低精度計算。
除了民用領域，張雲泉強調説，美國如此重視E級超算，還在於它被美國看作是國家安全方面的尖端利器。“包括核武器、高超音速飛行器的研製和信息安全領域，都需要規模巨大、計算精度高的超算。可以説，誰的超算速度快，誰就掌握了主動權。”例如美國運行速度最快的幾台超算都位於美國能源部下屬的幾個國家實驗室中，後者都有核武器的研製背景。外界普遍認為，美國正利用這些超算進行模擬測試核爆炸，並研製新型核武器。
此外，外界猜測美國在網絡信息安全領域也大量使用超算。按照美國之前被曝光的“稜鏡”計劃，美國通過各種渠道獲得的海量數據，必須依靠超算進行破解和大數據分析。此前有網絡安全專家曾透露，超算的運算速度快，意味着它可以暴力破解對手的加密程序，導致原本有效的信息安全系統不再安全了。因此哪怕是從爭奪信息安全控制權的角度出發，美國也對其他國家擁有比美國更快的超算保持高度警惕。
中國超算“排名下降”，真相到底如何
外界注意到，近年日本和歐洲的新超算接連問世，全球超算TOP500榜單上的中國超算排名接連下降。這是中國超算不行了嗎？
此前公開報道顯示，中國至少有“神威”E級原型機、“天河三號”E級原型機和曙光E級原型機三個不同技術路線的原型機系統完成交付。《紐約時報》稱，有專家透露“中國去年已經研製出兩台E級超算，其運算速度超過了‘前沿’”。而全球超算TOP500排行榜上之所以沒有中國E級超算的身影，是因為中國方面沒有提交相關數據。據《環球時報》記者瞭解，全球超算TOP500採用企業自主提交超算資料，然後由國際超算大會進行排名的模式，如果中國企業沒有提交相關資料，相關榜單上就不會更新。英國《金融時報》近日聲稱，中國首台E級超算已運行一年多，第二台E級超算也開始運行，卻都沒有參與全球超算排名，也沒有正式亮相。但值得注意的是，中國去年拿到全球高性能應用領域最高獎“戈登·貝爾”獎。據瞭解，如果不是在世界最快超算上做出的成績，是無法拿到“戈登·貝爾”獎的。
《環球時報》記者注意到，近年來美國在超算領域對中國發起一系列針對性動作。2019年，美國曾對中國5家與超算相關的實體進行出口管制，一年後又將7家中國相關實體列入“實體清單”。美方的公開藉口是它們涉嫌“破壞軍事現代化的穩定”，但美國商務部官員告訴美媒，它們都與“中國試圖建造世界上第一部E級超算”有關。由於全球超算TOP500榜單上表現突出的中國企業可能被美國列入黑名單、遭到更嚴厲的制裁，直接導致的結果就是中國企業不願意提交最新的超算數據。但即便面臨美國的打壓，在全球超算TOP500排行榜中，中國上榜總數為173台，與上屆持平，而美國則從150台下降到126台。▲