揭秘太湖之光：純國產(chǎn)如何稱(chēng)雄TOP500？

　　第3篇：申威26010揚名 擺脫國外技術(shù)依賴(lài)

　　國產(chǎn)申威26010的秘密武器

　　除了太湖之光奪冠，其實(shí)更令人興奮的是其采用了國產(chǎn)處理器申威26010，可以說(shuō)有著(zhù)一定的歷史意義。2015年4月，美國商務(wù)部發(fā)布公告，決定禁止英特爾向四家國家超級計算機中心出售Xeon Phi處理器。而在此之前，曾經(jīng)的TOP500冠軍天河二號采用的就是Xeon系列處理器。這意味著(zhù)，天河二號將無(wú)法繼續使用英特爾提供的用于升級系統的新款芯片。

　　然而，申威26010的出現擊碎了外界對于國產(chǎn)化的質(zhì)疑。與此同時(shí)，這款處理器也帶來(lái)了一個(gè)“新名詞”：眾核。超算界早已對以GPU、眾核為代表的異構計算持開(kāi)明態(tài)度，GPU應用的場(chǎng)景越來(lái)越多，在算法上也有了更多的支持。從長(cháng)遠來(lái)看，異構集群對超算的重要性會(huì )加大，在確保靈活性和軟件兼容性的前提下，追求更高的性能和更低的功耗。

　　一直以來(lái)，HPC的發(fā)展離不開(kāi)軍用和科研，太湖之光也不例外。事實(shí)上，申威在業(yè)內早有耳聞，但為什么外界鮮有人知呢?主要原因或許就是軍方背景。申威系列芯片的研發(fā)單位是江南計算機所(即總參某部56所)，而申威26010就是在國家高性能集成電路(上海)設計中心生產(chǎn)，被部署于無(wú)錫國家超級計算中心?？倕⒛巢?6所創(chuàng )建于1951年6月，位于無(wú)錫。

　　申威最初的技術(shù)來(lái)源是DEC公司開(kāi)發(fā)的Alpha 21164，后者在1995面世，采用0.5um制造工藝，主頻為200MHz。不過(guò)，隨著(zhù)技術(shù)研發(fā)的深耕，江南所拓展出了自主的申威-64指令集，擺脫了Alpha的影子。

　　申威26010采用了“CPU+加速器”的方案(管理核心+運算核心)，為64位RISC(主頻1.45GHz)，擁有260個(gè)處理核心和4個(gè)內存控制器。處理器內包括四個(gè)核心組，每組有65個(gè)內核，由8×8 Mesh架構計算集群(CPE)、一個(gè)管理單元(MPE)、一個(gè)內存控制器(MC)組成。其中，MPE和MC也可以被當作獨立的處理核心，前者負責系統管理和通訊，后者則用于浮點(diǎn)運算，單個(gè)內存(128bit的DDR3)帶寬為34GB/s，因此整個(gè)處理器提供了136.5GB/s的帶寬。

　　申威26010核心組結構(圖片來(lái)自Jack Dongarra)

　　申威26010支持264位的矢量指令集，內置各32KB的L1指令緩存和數據緩存，以及256KB L2緩存，沒(méi)有L3緩存。對于CPE來(lái)說(shuō)，單條處理管線(xiàn)使得每個(gè)主頻周期可進(jìn)行8次浮點(diǎn)運算，浮點(diǎn)性能為11.6GFLOPS，而MPE則約為CPE的兩倍。

　　申威26010節點(diǎn)基礎設計(圖片來(lái)自Jack Dongarra)

　　此外，申威26010可能并非采用NUMA(非統一內存訪(fǎng)問(wèn)架構)架構，這使得處理器組內之間的內容共享成為可能，在硬件方面沒(méi)有緩存的一致性需求，由軟件負責同步。相比之下，英特爾Kight Landing則是將緩存一致性(Cache Coherence)都交給硬件。從性能來(lái)看，申威26010的雙精浮點(diǎn)峰值為3.06TFlops，與Kight Landing處在同一水平線(xiàn)。

　　不過(guò)，作為完全自主的國產(chǎn)處理器，申威26010也面臨著(zhù)一些問(wèn)題。首先就是制造工藝，有人猜測28nm，盡管并不是官方說(shuō)法，但相較英特爾的14nm還是有些落后。其次，太湖之光的HPCG(High Performance Conjugate Gradients)成績(jì)也一般，峰值效率為0.3%，低于天河二號的1.1%。

　　太湖之光的HPCG成績(jì)不理想(圖片來(lái)自Jack Dongarra)

　　對于HPCG測試，可能是內存和互聯(lián)寬帶拖了后腿。前面提到過(guò)，申威26010采用的是DDR3，而英特爾Kight Landing已經(jīng)用上六通道DDR4，Xeon Phi的內存帶寬達到了512GB。雖然太湖之光在Linpack上大幅領(lǐng)先，但在HPC的適用性方面就會(huì )有些下降?？偟膩?lái)說(shuō)，申威26010在計算能力上的優(yōu)勢有目共睹，不過(guò)由于更偏向軍用，因此部分功能經(jīng)過(guò)了特殊調校，應用范圍有一定的局限。

第4篇：太湖之光應用貢獻大 照亮中國超算

　　超算之路不平坦 太湖之光只是開(kāi)始

　　從天河系列的70%國產(chǎn)化，到神威藍光的85%以上，再到如今完全自主、耗時(shí)三年研制的神威太湖之光，中國超算在美國芯片禁運的“倒逼”下，已經(jīng)跨出了歷史性的一步。值得一提的是，基于太湖之光系統的三項全機應用還入圍了有超算界諾貝爾之稱(chēng)的“戈登貝爾獎”。該獎項自1987年設立以來(lái)，中國團隊從未入圍過(guò)。

　　在國家863計劃的支持下，作為“國之重器”的超級計算機在工業(yè)制造、航天、軍事、醫學(xué)、科研等領(lǐng)域將發(fā)揮更大的作用，并且會(huì )助推深度學(xué)習、人工智能的發(fā)展。未來(lái)，太湖之光將在四個(gè)方向發(fā)揮作用：全球高分辨率模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎;先進(jìn)制造，助力“中國制造”轉向“中國創(chuàng )造”;生命科學(xué)，為研發(fā)新藥和探索生命奧秘提供支撐;大數據分析。

　　舉例來(lái)說(shuō)，國家超級計算無(wú)錫中心與清華大學(xué)、北京師范大學(xué)合作，在太湖之光上進(jìn)行了CAM全球大氣模式的重構與優(yōu)化，以及全球超高分辨率大氣模式實(shí)驗框架。其中，大氣模式實(shí)驗框架已初步實(shí)現了3公里精度，僅次于日本NICAM 870米的分辨率。清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系副教授薛巍表示：“有了這套計算機系統，我們可以在30天內完成未來(lái)100年的地球氣候模擬，全面提升我國應對極端氣候事件和自然災害時(shí)的減災防災能力?！?/p>

　　大氣模式實(shí)驗框架(圖片來(lái)自國家超級計算無(wú)錫中心)

　　借助太湖之光，國家計算流體力學(xué)實(shí)驗室對“天宮一號”返回路徑進(jìn)行了數值模擬計算，將為其返回提供精確預測;上海藥物所開(kāi)展的藥物篩選和疾病機理研究，兩周內就完成了原本需要10個(gè)月的計算，加速了白血病、癌癥、禽流感等疾病的藥物設計進(jìn)度;此外，太湖之光還將在“高分辨率海浪數值模擬”和“鈦合金微結構演化相場(chǎng)模擬”方面做出巨大貢獻。截至目前，國家超級計算無(wú)錫中心已經(jīng)與北京大學(xué)、中科院軟件所、中船重工702所、遠景能源、清華大學(xué)、國家計算流體力學(xué)實(shí)驗室等國內30多家機構或單位建立了應用合作關(guān)系。

　　除了國家級研究機構的貢獻，以聯(lián)想、曙光等為代表的中國企業(yè)也在超算領(lǐng)域有著(zhù)很好的表現。最新一期TOP500中，聯(lián)想就以92套獲得了全球超算份額第二、中國第一的成績(jì)。未來(lái)，超算將朝著(zhù)高性能、低功耗的方向繼續拓展，芯片設計、任務(wù)分配、算法優(yōu)化、應用范圍、散熱系統等依然是努力的重點(diǎn)。