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美国超级计算机卷土重来
2018-04-13 15:14
原创  Ieee Spectrum

美国超级计算机卷土重来A.jpg

2012年11月,每半年发布一次的全球超级计算机500强排行榜,将其榜首位置给予了美国田纳西州橡树岭国家实验室的一台计算机。这台计算机有个恰如其分的名字——“泰坦”,其拥有每秒超过2.7亿亿次浮点运算的峰值性能。它是政府、企业和学术界研究人员的一项巨大的计算资源,在超级计算机领域处于领先地位,提升了美国高性能计算社区的自豪感。

但这种自豪感很短暂。仅7个月后,“泰坦”就把超级计算机的榜首位置输给了中国的“天河二号”超级计算机。而3年之后,又一台中国超级计算机“神威•太湖之光”夺得了世界上最强大的计算机的称号,其峰值性能为每秒12.5亿亿次浮点运算。在此之后,“泰坦”就显得没那么强大了。

中国的研究人员利用“神威•太湖之光”开展了大气动力学建模的研究工作,并因此获得了2016年戈登贝尔奖。全球超级计算机500强排行榜的创始人之一、田纳西大学的杰克•唐加拉(Jack Dongarra)说:“这表明它不只是一台卖弄噱头的大机器。” 

你可能疑惑为什么在过去的5年中,美国似乎已经放弃了重回榜首的念头。事实上,他们并没有放弃。 2014年,美国的工程师们起草了一份新一代超级计算机的提案。提案中的第一个成果将在今年底面世,是一台名为“尖峰”(Summit)的超级计算机,也是橡树岭国家实验室“泰坦”的继任者。几个月后投入运行时,这台新计算机的峰值性能将达到每秒20亿亿次浮点运算,成为全球最强大的超级计算机。 

但这并不确定。

在橡树岭国家实验室领导计算机设施项目的总监亚瑟•布兰德(Arthur Bland)说:“在美国,我们对计算机的态度非常开放。”他相信“尖峰”将按计划完成建造,并将成为美国最强大的超级计算机。但与此同时,中国或其他国家可能会推出一台新的超级计算机,或升级现有的超级计算机,性能再次超过“尖峰”。这真的会发生吗? “我们现在还不知道。”布兰德说。

他和他在橡树岭国家实验室的同事们并未因这个问题而辗转难眠,因为为了让“尖峰”取代“泰坦”,还有一大堆工作摆在他们面前,等待完成。这次,他们并没有采用“泰坦”的建造模式。“泰坦”是橡树岭国家实验室在早期另一台计算机“美洲虎”(Jaguar)的基础上,经过一系列精心的升级工作打造出来的成果。

“美洲虎”于2005年组装完成,那时计算机硬件往往很快就会过时(在那个时代任何购买过个人计算机的人都可以证明这一点)。“我们每年都会进行升级。”布兰德回忆道。“美洲虎”在2009年成为世界上最强大的超级计算机,而2011年的一次重要升级工作,更是让“美洲虎”重生,在2012年成为了“泰坦”。

为什么只是升级机器的内部硬件,而不是建造一台全新的超级计算机呢?布兰德说:“我们认为可升级性是个合理的目标。”然而,这并不适用于现在的情况,因为“泰坦”用的是Cray计算机设备公司的硬件。“现在我们要从IBM购买一台机器,所以循环使用就不再可行,也并不合理。”因此“泰坦”现在还会继续运行,但当这台最新超级计算机投入使用约1年之后,“泰坦”就会关闭。

美国超级计算机卷土重来B.jpg

全新的超级计算机将给橡树岭国家实验室带来一项优势,那就是能效显著提高。“尖峰”将以“泰坦”5~10倍的速度,为研究人员们进行模拟运算,而能耗仅为“泰坦”的2倍,一般能耗大约为15兆瓦。令人欣慰的是,田纳西流域管理局丰沛的电网将供应这些电力。布兰德指出,有人可能会觉得给现代超级计算机供电更具挑战性。他开玩笑说:“你可以去当地的电力公司问问,在哪里可以接入我这台功耗15兆瓦的电脑?看看他们会怎么回复你。”

虽然“尖峰”将会具有最强的计算能力,但它并不是2018年美国唯一上线的此级别超级计算机。一台名为“塞拉”(Sierra)的超级计算机,将在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室组装完成,预计其峰值性能将超过每秒12亿亿次浮点运算。阿贡国家实验室也计划在2018年开始运行一台新的超级计算机,并提供高达每秒18亿亿次浮点运算的峰值性能。但是由伊利诺伊州实验室制造的超级计算机“欧若拉”(Aurora),其建造计划已经被推迟到2021年,以期能扩展其计算能力,成为美国第一台“百亿亿”级超级计算机。

这些庞大的数字指的是峰值计算性能,但实际应用只利用了潜在性能中的一小部分。经常被引用的线性系统软件包(Linpack)基准测试通常只利用超级计算机峰值性能的75%左右,唐加拉说:“我们的小秘密是大多数真正的应用程序只利用了其性能的3%。”

显然,找到能提高计算机实际性能的妙招,跟实现理论上可达到的峰值数据同样重要。而橡树岭国家实验室的超级计算机专家也正投入极大精力进行研究。佐治亚理工学院的约瑟夫•欧菲琳(Joseph Oefelein)将在他的燃烧物理和化学研究中使用“尖峰”,他简短地指出:“这场竞争不仅仅是看谁能拥有速度最快的计算机。” 

作者:David Schneider

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