揭秘太湖之光：純國產(chǎn)如何稱雄TOP500？

　　第3篇：申威26010揚名 擺脫國外技術(shù)依賴

　　國產(chǎn)申威26010的秘密武器

　　除了太湖之光奪冠，其實更令人興奮的是其采用了國產(chǎn)處理器申威26010，可以說有著一定的歷史意義。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，天河二號將無法繼續(xù)使用英特爾提供的用于升級系統(tǒng)的新款芯片。

　　然而，申威26010的出現(xiàn)擊碎了外界對于國產(chǎn)化的質(zhì)疑。與此同時，這款處理器也帶來了一個“新名詞”：眾核。超算界早已對以GPU、眾核為代表的異構(gòu)計算持開明態(tài)度，GPU應(yīng)用的場景越來越多，在算法上也有了更多的支持。從長遠來看，異構(gòu)集群對超算的重要性會加大，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，HPC的發(fā)展離不開軍用和科研，太湖之光也不例外。事實上，申威在業(yè)內(nèi)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(shè)計中心生產(chǎn)，被部署于無錫國家超級計算中心。總參某部56所創(chuàng)建于1951年6月，位于無錫。

　　申威最初的技術(shù)來源是DEC公司開發(fā)的Alpha 21164，后者在1995面世，采用0.5um制造工藝，主頻為200MHz。不過，隨著技術(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個處理核心和4個內(nèi)存控制器。處理器內(nèi)包括四個核心組，每組有65個內(nèi)核，由8×8 Mesh架構(gòu)計算集群(CPE)、一個管理單元(MPE)、一個內(nèi)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(tǒng)管理和通訊，后者則用于浮點運算，單個內(nèi)存(128bit的DDR3)帶寬為34GB/s，因此整個處理器提供了136.5GB/s的帶寬。

　　申威26010核心組結(jié)構(gòu)(圖片來自Jack Dongarra)

　　申威26010支持264位的矢量指令集，內(nèi)置各32KB的L1指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，以及256KB L2緩存，沒有L3緩存。對于CPE來說，單條處理管線使得每個主頻周期可進行8次浮點運算，浮點性能為11.6GFLOPS，而MPE則約為CPE的兩倍。

　　申威26010節(jié)點基礎(chǔ)設(shè)計(圖片來自Jack Dongarra)

　　此外，申威26010可能并非采用NUMA(非統(tǒng)一內(nèi)存訪問架構(gòu))架構(gòu)，這使得處理器組內(nèi)之間的內(nèi)容共享成為可能，在硬件方面沒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。從性能來看，申威26010的雙精浮點峰值為3.06TFlops，與Kight Landing處在同一水平線。

　　不過，作為完全自主的國產(chǎn)處理器，申威26010也面臨著一些問題。首先就是制造工藝，有人猜測28nm，盡管并不是官方說法，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成績不理想(圖片來自Jack Dongarra)

　　對于HPCG測試，可能是內(nèi)存和互聯(lián)寬帶拖了后腿。前面提到過，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(nèi)存帶寬達到了512GB。雖然太湖之光在Linpack上大幅領(lǐng)先，但在HPC的適用性方面就會有些下降?？偟膩碚f，申威26010在計算能力上的優(yōu)勢有目共睹，不過由于更偏向軍用，因此部分功能經(jīng)過了特殊調(diào)校，應(yīng)用范圍有一定的局限。

第4篇：太湖之光應(yīng)用貢獻大 照亮中國超算

　　超算之路不平坦 太湖之光只是開始

　　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(tǒng)的三項全機應(yīng)用還入圍了有超算界諾貝爾之稱的“戈登貝爾獎”。該獎項自1987年設(shè)立以來，中國團隊從未入圍過。

　　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(yī)學(xué)、科研等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用，并且會助推深度學(xué)習、人工智能的發(fā)展。未來，太湖之光將在四個方向發(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(chǔ);先進制造，助力“中國制造”轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析。

　　舉例來說，國家超級計算無錫中心與清華大學(xué)、北京師范大學(xué)合作，在太湖之光上進行了CAM全球大氣模式的重構(gòu)與優(yōu)化，以及全球超高分辨率大氣模式實驗框架。其中，大氣模式實驗框架已初步實現(xiàn)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(tǒng)，我們可以在30天內(nèi)完成未來100年的地球氣候模擬，全面提升我國應(yīng)對極端氣候事件和自然災(zāi)害時的減災(zāi)防災(zāi)能力?！?/p>

　　大氣模式實驗框架(圖片來自國家超級計算無錫中心)

　　借助太湖之光，國家計算流體力學(xué)實驗室對“天宮一號”返回路徑進行了數(shù)值模擬計算，將為其返回提供精確預(yù)測;上海藥物所開展的藥物篩選和疾病機理研究，兩周內(nèi)就完成了原本需要10個月的計算，加速了白血病、癌癥、禽流感等疾病的藥物設(shè)計進度;此外，太湖之光還將在“高分辨率海浪數(shù)值模擬”和“鈦合金微結(jié)構(gòu)演化相場模擬”方面做出巨大貢獻。截至目前，國家超級計算無錫中心已經(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)實驗室等國內(nèi)30多家機構(gòu)或單位建立了應(yīng)用合作關(guān)系。

　　除了國家級研究機構(gòu)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)域有著很好的表現(xiàn)。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。未來，超算將朝著高性能、低功耗的方向繼續(xù)拓展，芯片設(shè)計、任務(wù)分配、算法優(yōu)化、應(yīng)用范圍、散熱系統(tǒng)等依然是努力的重點。