走出中国超算的“凌波微步”

《三体》中的“智子”

不熟悉超算的人，可能很难理解超算的意义，进而可能也就低估了美国这次举动所蕴含的深意。但我们可以举个简单的例子，也许就能明白它的重要性（仅仅是比喻，谨供参考）。

每个人都经历过考试，物理、数学必不可少，在这些考试中让你用计算工具和不让用，相信对于考试结果或效率来说都是有天壤之别的，而就算能让你用计算工具，给你一个算盘还是一个函数计算器也肯定是有讲究的，尤其是学级越高，我相信谁都希望用后者而不是前者。

好，你现在已经理解了计算器的重要性，但可惜你现在只有一个算盘，而同桌的同学有一个高级计算器，每次答题都比你快、准、好，也更得老师的赏识。对此，你和那个同学达成了一个协议，你付费，他借给你计算器用，结果你的成绩也越来越好……有一天，面临终极大考，决定后半生的走向，结果你的同桌感觉到你的成绩如果超过了他，可能会影响他后半生的荣华富贵，突然找了个理由不借你计算器了，哪怕再多的钱也不借，此时的你会怎么的一种感觉呢？

在这场超算风波中，你就是中国，同桌的那个同学就是美国，而那个高级计算器就是超级计算机技术，更确切的说就是Xeon Phi或同级超算加速器……美国不希望你取得比他更好的成绩！那个终极大考是什么？简单的说，就是国家的竞争力，与未来的兴衰！

这么说并不是耸人听闻，现在谁都不能否认科技对于人的生活乃至国家发展的重要性，就连卖菜的小贩也会配个计算器来快速的算账，那么在当今的信息化时代，一个国家也必须要有强大的“计算器”。

在高等代数考试中， 你是更愿意用算盘还是函数计算器？

接下来，可能会有人问超算用来算什么？就是算出我们未来的科技发展的基础定律。读过《三体》小说的人都知道，为了更了解物质的本质，人类必须建造粒子对撞机来解析物质最基本的组成与其内在的微观世界，从而更好的构建我们所能看到的宏观世界，这就代表着科技水平。三体人为了阻断人类的科技水平的发展，发射出了几粒智子（具有高度智能的质子）来干扰粒子对撞机的试验，以瓦解人类探索微观世界的能力。美国人的意图就相当于三体人射出的智子，给中国的基础科学的研究下了一个“绊马锁”。

这很重要吗？当然，没有了基础科学的研究，我们不能研制出更强大的物理材料、更强劲的动力设备、更有效的医药，以及更先进的宇航与武器装备，那么对于未来的中国，更好的民生、更强大的民族工业、更强大的国际竞争力，以及更可靠的国防屏障也就无从谈起。最终就体现为国家的地位与话语权的丧失，试想这个影响还不够大吗？事实上，超算是国家乃至整个人类探索气候、生物、材料、化学、天文、能源等重要领域基础科学的必需的工具，没有这个工具，也将意味着国家在“世界级终极大考”中的成绩。

因此，我并不是很认同有些媒体就此次风波所总结的，是因为美国嫉妒中国的超算能力所以才限售，其根本的原因还是在对未来科技领域的主导权丧失的担心，那种感觉就像是拿着算盘的你，看着同桌用函数计算器取得更好的成绩，美国肯定不想这种场景反过来。所以，进一步加大基础技术的研究，以带动整体科技水平的进步就是必然的决策——超级计算机首当其冲。

而在阻止中国用上更好的超算时，超算本身的技术与速度也在不断进步，这一进一阻间，也就预示着中国超算所面临的巨大挑战。

人类对超算速度的追求是无止境的，越快越好，在PFLOPS之后是EFLOPS（E=Exa=1000P，即100亿亿次），而在这一级别竞争中，离开Xeon Phi这类高并行加速器的支持，纯以通用处理器来实现（如E5），理论上可以，但不切实际！

原因很简单，那就是能耗，还是以天河二号为例，32000颗E5处理器所贡献的峰值性能，不如48000颗Xeon Phi的1/6，而目前天河二号系统的总功率，算上附带的水冷系统，一共是2400万W，满功率开机一小时的电费将高达上万元，一年下来至少1个亿，如果将后者全部换成E5，那么地房占地面积与能耗成本也就可想而知了。所以说即使在PFLOPS时代，通用处理器的能力就已经非常吃力了，EFLOPS时代全用通用处理器是绝对不可想像的。

在今年下半年，英特尔将推出代号为Knight Landing的第二代Xeon Phi，浮点性能达到3TFLOPS。我们从理论上计算，假如全部替换掉天河二号现有的Xeon Phi，那么天河二号的性能就将超过150PFLOPS（加上32000颗E5的性能），绝对仍然是2015年，甚至是2016年的TOP500冠军。

在Knights Landing之后，第三代的Kights Hill也已在路上，10nm生产工艺，集成第二代Omni-Path互联架构，提供比传统InfiniBand（当然其本身也源于InfiniBand）更好的互联效率

北京航空航天大学教授钱德沛指出，Xeon Phi的发展目标是将其自身变成有独立完整功能的处理器，专为高并行计算服务。这一点也已经在美国阿贡国家实验室（ANL，Argonne National Laboratory）计划于2018建成，2019年投入正式运营的Aroura超算系统上得到证实。届时，在这台由英特尔与克雷（Cray）联合开发的超算系统中，至强E5处理器只用于控制节点，所有的计算全部由Kights Hill完成，峰值性能达180PFLOPS。

美国阿贡国家实验室预计2018年上线的Aurora超级计算机，计算节点超过50000个，峰值性能达180PFLOPS，而功耗只有1300万W

除了英特尔，传统超算高手IBM与NVIDIA也没闲着，结合各自的POWER9通用处理器与VOLTA GPGPU，联手为美国橡树岭国家试验室（ORNL，Oak Ridge National Laboratory），以及是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL，Lawrence Livemore National Laboratory）分别打造两台超级计算机：SUMMIT与SIERRA，前者计算节点超过3400个，峰值性能达150-300PFLOPS，后者性能大于100PFLOPS，主攻分子动力学，宇宙学，计算流体动力学，燃烧模拟等领域，其中更高性能的SUMMIT预计2017年上线，2018年正式投入使用，非常值得一提的是，其总功耗只有约1000万W。

IBM与NVIDIA联手，将为美国橡树岭国家试验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室打造两款超级计算机

相比之下，因为限售审查，中国最大的超算中心很可能无法有效获得数目庞大的Xeon Phi或GPGPU，将会在更高速度迈进时遇到极大的挑战（各超算大国均已有明确的EFLOPS系统的研发计划），而这对于中国基础科学研究的影响无疑是重大的。