E級超算，2020年見

　　人類對宇宙探索的好奇心以及對問題規模和精度的追求，決定了人們對超級計算能力的需求“不會止步”。在百P超算實現之后，E級超算，也就是百億億次超級計算機，將成為世界各國爭奪的“下一頂皇冠”。

　　“新科”全球最快超級計算機“神威·太湖之光”亮相之后，全世界為之一震。“全球第一快”有多快?國家超級計算無錫中心主任楊廣文打了一個比方：“神威·太湖之光”1分鐘的計算能力，相當于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。

　　這個速度就是93PFlops，浮點運算速度每秒9.3億億次——人類歷史上第一次，將高性能計算機的運轉速度記錄接近至每秒十億億次這個數量級。

　　然而，人類對超級計算機性能的追求沒有止境。“超算性能每提高1個數量級，人類對它們的需求可能提高1000倍，也就是3個數量級。”中科院計算所研究員、中國計算機學會高性能計算專委會秘書長張云泉在接受《中國科學報》記者采訪時說，人類對宇宙探索的好奇心以及對問題規模和精度的追求，決定了人們對超級計算能力的需求“不會止步”。

　　“在百P超算實現之后，E級超算將成為世界各國爭奪的‘下一頂皇冠’，也就是百億億次超級計算機。”張云泉對記者說。

　　預計2020年左右實現

　　超算水平是一個國家綜合國力和科技創新能力的重要標志，各國對E級超算的爭奪，無不摻雜著國家戰略的意味。

　　自“天河二號”于2013年11月正式登頂當時的超算TOP500榜首之后，美國這個頭號超算強國已連續3年未曾染指這一寶座。然而，種種跡象表明，美國從未在“最快超算梯隊”上掉隊。

　　全球超算TOP500排行榜發起人、橡樹嶺國家實驗室及田納西大學教授杰克·唐加拉(JackDongarra)在接受《中國科學報》記者郵件采訪中說道，美國能源部通過國家戰略計算計劃(NSCI)以及與產業界和學術界的合作，正在推行能進行百億億次計算系統的開發。“該系統集成了硬件和軟件能力，在一系列代表政府需求的應用中的表現將是目前10千萬億次系統的100倍。”

　　記者了解到，歐洲、日本也制定了自己的E級超算研發計劃，并將相應計劃的完成時間表設定在了2020年。

　　張云泉透露，中國也將百億億次超級計算機及相關技術的研究寫入了國家“十三五”規劃，同時也希望在2020年左右實現這一宏偉研究計劃。出人意料的，在幾個制定了相關計劃的國家中，只有美國相對“悲觀”，他們預計百億億次超級計算機的建成或許需要到2022年。

　　業內人士認為，美國此舉或許并非故弄玄虛，因為隨著高性能計算機運算規模的增加，建造它的難度可能將是幾何級數的提升。

　　E級超算的挑戰

　　張云泉告訴記者，百億億次超級計算機的建造難度并不僅僅在于速度的提升，更在于對大規模超算設備的功耗要求。按照由美國倡導的國際公認標準，E級超算的功耗應低于20MW。按照這一功耗目標要求，未來的E級超級計算機的能效比要達到50GFlops/W。

　　這在張云泉看來，是一堵難以逾越的高墻，畢竟排在Green500第三位、創造了大規模高性能計算機效能比的最好成績的“神威·太湖之光”每瓦性能只有6GFlops，仍相差一個數量級。

　　“功耗墻很難逾越，是各國都在面臨的難題。”張云泉對記者說：“現在大家希望采用異構加速或異構綜合的方式來降低功耗的要求，但由此帶來的是編程的困難。因此，可以說研發E級超算實際上面臨著編程墻、功耗墻、可靠性墻和存儲墻幾個‘大墻’的圍堵，如何越過這幾堵墻，面臨很大的挑戰。”

　　在被問及這一問題時，杰克·唐加拉給記者列出了一份“沒有特定順序”的百億億次計算實現之前的“TOP10挑戰”名單，具體地描繪出了實現百億億次超級計算機之路上“攔路虎”的樣子。

　　在這份名單里，關乎計算性能的挑戰有2個，分別是研發更節能的電路、電源和冷卻技術和增加數據流動的性能和能量效率;關乎計算硬件的更新升級的只有1個：集成先進的內存技術以提高容量和帶寬;而關乎軟件和開發環境方面的挑戰則有不少，分別是開發可擴展更強的系統軟件、發明適于大規模并行處理的新的編程環境、創建更優化的數據管理軟件等。在這份列表中，杰克·唐加拉還提醒計算科學家們需要從系統或更高角度準備迎接E級計算的挑戰，比如要重塑百億億次超算系統對科學問題的解決方案、提高用新的軟件工具和環境的生產力、確保E級超算發生故障時科學計算的重現性等。

　　“E級應用”

　　“每秒執行百億億次計算，這可是我們今天所見機器計算速度的數十上百倍，這些未來的計算機將是一個全新的‘物種’。而且，它們不僅在于快，更在于它們可以以全新的方式處理大數據。”杰克·唐加拉說，“這將是非常必要的，E級超算未來將非常有用，比如它們或許能攻克癌癥。”

　　“為了找到治療癌癥的方法，我們需要找出以前沒有見過的模式。”杰克·唐加拉說，在癌癥治療方面，人們面臨的挑戰不是缺乏相關數據——現在比以往更多，而是如何“打開”這些數據，并找到合理的模式處理它，從而告訴人們到底是什么原因導致癌癥或者如何更有效地對抗它。“超級計算機是用于分析基因組和相關分子數據集、患者記錄、家族史和與癌癥相關的其他復雜信息優良的工具。隨著超級計算機的發展，我相信我們可以找到答案。”

　　張云泉也指出，E級超算如此受“歡迎”，正在于它在解決人類共同面臨的健康危機、能源危機、環境污染和氣候變化等重大問題上將發揮巨大作用。“從目前來看，E級超算主要面對一些具有重大計算的需求，如全球氣候變化模擬、天體物理大數據的處理、模擬宇宙的演化、新型材料驗證及無庫存核武器仿真等。”

　　此外，杰克·唐加拉指出，百億億次計算設備除對各個產業領域提速換擋有貢獻、提高國家競爭力之外，還將“向下流動”促進產業發展，比如增強包括從智能手機到相機在內的消費電子產品計算系統的軟硬件性能等。

　　自主實現的曙光

　　在“神威·太湖之光”以自主芯片和操作系統獲得接近十億億次的計算速度之后，中國看到了自主研發E級超算的希望和曙光。張云泉認為，“神威·太湖之光”的成功已經為我國向E級超算邁進打下了一個堅實的基礎，只要做好人才、資源、經費和材料的儲備，沖擊E級超算指日可待。

　　按照一般科研規律，在類似大科學裝置正式進入研發日程之前，原型系統等預研項目非常必要。

　　“從原型系統到大規模系統，難度是幾何倍數增加的。所以原型系統不可能暴露所有的問題。”張云泉說，但預研項目可以驗證一些關鍵的技術設想，對一些關鍵技術難點進行測試和改進，“為最后建造全部的系統來掃清障礙，避免出現大的技術錯誤和難題。”

　　在最新公布的國家“十三五”高性能計算專項課題中可以看到，我國公示出了三個分別由中科曙光、國防科技大學以及江南計算技術研究所牽頭的E級超算的原型系統研制項目。據消息人士透露，中科曙光牽頭的E級超算原型系統研制項目將于近期舉行的曙光技術創新大會(IDIC2016)上正式啟動。

　　“我們國家發展E級超算是‘三頭并進’——這下代表著中國超算“三足鼎立”——三家單位在超算技術領域均具有強大的研發實力。”張云泉告訴記者，我國在E級超算研制方面采取的是競爭機制，預計兩年之后會對三家單位進行評估，最后吸取最好的方案來整合成最后國家的E級超算研發體系。