探訪“極光”阿貢國家實驗室，超算競賽未來走向如何？

新一代超級計算機(jī)的研發(fā)競賽日益激烈。3月美國能源部宣布，美國首個“E級”新一代超算“極光”號2021年將在位于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年前后上線該級別的新一代機(jī)型。在中美高科技主導(dǎo)權(quán)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(guān)注。

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(dāng)于“全球70億人同時在每秒內(nèi)每人運算1.5億次”。

有望成為美國首臺E級超算的“極光”由美國能源部撥款5億美元，委托半導(dǎo)體巨頭英特爾公司和超算制造商克雷公司生產(chǎn)，將為航天領(lǐng)域的模擬試驗、個性化醫(yī)療、太陽能電池研發(fā)提供幫助。

文章作者從芝加哥往西南方向驅(qū)車約45分鐘，訪問了即將引入“極光”的阿貢國家實驗室。這里環(huán)境優(yōu)美，多座建筑分布在約6平方公里的廣闊園區(qū)內(nèi)，仿佛大學(xué)的校園一樣。正在建設(shè)當(dāng)中的“極光”號專用大樓也映入眼簾。

成立于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(xué)運營。世界上首次成功實現(xiàn)可控核裂變的物理學(xué)家恩里科·費米創(chuàng)設(shè)的“曼哈頓計劃”是其起源。

“是美國公民嗎?”

經(jīng)過嚴(yán)格的安檢之后車輛才能被放行，在設(shè)有傳達(dá)室的建筑內(nèi)進(jìn)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?”。順利拿到入館證后，文章作者前往計算科學(xué)部門的TCS大樓。

前來迎接的研究人員邁克爾·帕普卡留著長長的胡子，讓人印象深刻。他擔(dān)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(jìn)入機(jī)房，耳邊就傳來用于降溫的空調(diào)系統(tǒng)的巨大聲響。48臺黑色機(jī)柜一字?jǐn)[開，表面涂著讓人聯(lián)想到太空的鮮艷圖案。“Mira”的運算速度為“極光”的100分之1。

帕普卡介紹說，投入高性能超算是當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)的超算應(yīng)用范圍主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，但近年來增加了AI(人工智能)、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用工程領(lǐng)域，需求在迅速擴(kuò)大，處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。

美國對新一代超算的研發(fā)可追溯到前總統(tǒng)奧巴馬執(zhí)政時期。奧巴馬于2015年頒布總統(tǒng)令，制定了國家戰(zhàn)略計算計劃(NSCI)。在美國能源部、國防部、國家科學(xué)基金會的主導(dǎo)下啟動了研發(fā)計劃。隨后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(nèi)，各方都在爭取成為“美國首家”而展開競爭。

超算全球500強(qiáng)榜單“TOP500”的創(chuàng)設(shè)成員、田納西州大學(xué)教授杰克·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(dān)核試驗等任務(wù)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(fā)過程中有可能遇到無法預(yù)料的障礙。杰克·東加拉教授指出，“最先登頂?shù)奈幢鼐褪前⒇晣覍嶒炇?rdquo;。

讓我們回顧一下超算的競賽歷史。TOP500榜單每年發(fā)布2次，分別在6月和11月公布處理性能的排名。該榜單創(chuàng)設(shè)于1993年，至今已過去了四分之一世紀(jì)。在創(chuàng)設(shè)之初，美國占據(jù)了絕對優(yōu)勢，但在過去10年中國迅速發(fā)力，確立了優(yōu)勢。

中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)(NUDT)憑借“天河一號”于2010年11月首次登上榜首。隨后一度被美國超越，但2013～2017年的5年間，升級后的“天河二號”和采用國產(chǎn)技術(shù)的“神威太湖之光”接連占據(jù)榜首，2016年中國首次在超算數(shù)量上超過美國。

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，但隨后發(fā)起反攻，2018年6月憑借橡樹嶺國家實驗室的“頂點”再次奪回榜首位置。在當(dāng)年11月的最近一次排名中繼續(xù)保持第一，美國也在榜單前10中占到了一半。

中國的超算保有量位居第一

美國盡管奪回了性能榜首的位置，但在保有量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國。在TOP500榜單上，中國達(dá)到227臺，占到總數(shù)的45%，而美國只有109臺，占比25%，為歷史最低。

日本的保有量為31臺，在中美之后位列第3。NEC的“地球虛擬器”曾在2002年6月至2004年6月期間占據(jù)榜首，隨后“京”號也于2011年登上榜首。在截至2018年11月的超算節(jié)能排行榜“綠色500”上，日本的“菖蒲”(Shoubu)位居第一，現(xiàn)在正計劃2021年前后將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(chǎn)業(yè)界的新材料及新能源開發(fā)、國防等領(lǐng)域推動革命性的研究。

超算競賽的未來會是怎樣的走向呢?中國正在制造3臺Pre Exascale(達(dá)到E級之前的階段)的原型機(jī)，有人預(yù)測“最先登頂?shù)暮芸赡苁怯媱澰?020年上線的中國。美國恐怕是第二個”。從長遠(yuǎn)來看，中國的崛起和美國的衰落趨勢仍將持續(xù)，“中國的優(yōu)勢在不斷擴(kuò)大”。與眼前商業(yè)利益沒有直接關(guān)系的科學(xué)話題不容易受到廣泛關(guān)注，但隨著中國靜悄悄地擴(kuò)大優(yōu)勢，特朗普肯定有坐不住的時候。