世界超算500强榜单公布，日本时隔9年再登顶，中国最高排第四，怎么回事？

mj7777

6 月 22 日，国际超算大会发布最新一期的全球超算 TOP500 榜单。与去年 11 月公布的排名相比，本届榜单前 10 名变化较大：日本超算 " 富岳 "（Fugaku）超越美国 " 顶峰 "（Summit）登顶榜首，中国超算 " 神威 · 太湖之光 " 和 " 天河二号 " 位列榜单 4、5 位。
众所周知，超算被视为一个国家创新能力乃至综合国力的象征，本次也是日本在 2011 年后再度在超算领域登顶。不过，作为史上第一台基于 ARM 架构的全球超算冠军，" 富岳 " 虽然性能达到上届冠军 " 顶峰 " 的 2.8 倍，但仍然属于十亿亿次级别超算。
《日本经济新闻》认为，此次日本之所以能夺取第一，原因之一在于目前超算正迎来升级换代时期，日本比中美更早地投放新一代机型，但由于在资金实力上处于劣势，日本很难和中美展开同场竞技。
而 E 级超算（即百亿亿次超算）目前已经成为世界各国追逐的新目标。其中，中国的 E 级超算已超前布局，神威 E 级原型机、" 天河三号 "E 级原型机和曙光 E 级原型机三个不同技术路线的原型机系统已全部完成交付，有望在 2020 年建造出世界第一台 E 级超算。


日本超算 " 富岳 " 图片来源：《朝日新闻》
日本时隔 9 年再度登顶
根据惯例，全球超算 500 强榜单由国际组织 "TOP500" 约半年发布一次。与上届榜单" 波澜不惊 " 不同，此次榜单前列出现不少 " 新势力 "。最大变化则是，卫冕冠军美国 " 顶峰 " 被日本 " 富岳 " 取代。
" 富岳 " 是富士山别称，由富士通公司和日本理化学研究所共同设计研制，共约有 400 台计算机组成。
性能方面，其运算速度为 41.55 亿亿次 / 秒，是 " 顶峰 " 的 2.8 倍，" 神威 · 太湖之光 " 的 4.5 倍，并且其核心处理器采用 48 核 ARM 芯片 A64FX，是史上第一台基于 ARM 架构成为全球 TOP500 冠军的超算系统。
除此之外，" 富岳 " 还在注重超算应用性能的基准测试 HPCG 和人工智能超算性能 Linpack 基准测试 HPL-AI 中排名第一。同时，其在 Graph500 性能排行榜中也位居榜首，该指标强调内存带宽和延迟，侧重于大数据分析等领域的计算能力的比较。


全球超算计算速度排名 图片来源：日本经济新闻
在 " 富岳 " 拿下全球第一后，日本理化学研究所理事长松本纮 23 日在记者会上表示：" 松了口气的同时非常高兴，今后将继续努力最大限度挖掘其性能 "。富士通社长时田隆仁也难掩喜悦：" 再次向世界展示了日本技术与制造实力的强大。将尽全力完善富岳，为实现可持续的社会做贡献。"
《日本经济新闻》指出，" 富岳 " 是日本投入 1300 亿日元（约合人民币 86 亿元）国家经费的项目。除了用于开发划时代的药物和材料、应对地震及海啸等之外，还可以应用于探索宇宙进化等研究，2021 年开始正式运用后，有望提升日本的研发能力和产业竞争力。
日本共同社则认为，" 富岳 " 研发的背景是超算 " 京 " 的失败。由于 CPU 和操作系统的性能，" 京 " 被认为 " 易用性糟糕 "，日本企业对于以 " 京 " 为基础的超级计算机的接受程度低于预期。
在记者会前一天的股东大会上，富士通社长时田隆仁也承认 " 京 " 令人遗憾，未能对业务发挥推动作用。日本国内还有批评称，超算开发费过高，甚至出现联合开发企业较早从项目中撤出的情况。
作为 " 京 " 的后续机型，" 富岳 " 拿下榜首后，美国超算 " 顶峰 " 和山脊（Sierra）被挤到 2、3 位，曾经 " 四连冠 " 和 " 六连冠 " 的中国超算 " 神威 · 太湖之光 " 和 " 天河二号 "，在榜单中排名 4、5 位。
除此之外，榜单的前 10 位中，还出现 3 台超算新面孔：排名第 6 的 HPC5，由意大利能源巨头 Eni 出资研制；排名第 7 的 Selene，由英伟达首次推出，搭载了 AMD EPYC 处理器 + 最新的 A100GPU；排名第 9 的 Marconi-100，部署在意大利计算中心。


榜单前十名 TOP500 官网截图
在本届 TOP500 榜单上，中国境内有 226 台超算上榜，在数量上蝉联第一，占总体份额超过 45%，但较半年前的榜单减少 2 台。美国以 114 台位列第二，较上次榜单减少 3 台。日本、法国、德国依次位列之后，排名与上次榜单相同。这也是 2017 年 11 月以来，中国超算上榜数量连续第六次位居第一。
同时，中国厂商联想、曙光、浪潮是全球前三超算供应商，总交付 312 台，在 TOP500 中占比超过 62%。其中，联想制造的超算入围 180 台，再次名列全球高性能计算提供商份额第一名。
联想方面向观察者网介绍，中国最强的十台超算中，除了由国家并行计算机工程技术研究中心与国防科技大学建造的集群之外，其余全部由该公司研制部署。
在总算力方面，美国超算所提供的算力是 644PFlops（浮点计算千万亿次每秒），占比为 28.7%；中国为 565PFlops，占比 25.5%，与美国算力占比差距从上届 4.8 个百分点缩小至 3.2 个；日本上榜的超算虽然只有 30 台，但其可提供的算力为 530PFlops，性能份额达到 23.7%，半年前其占比仅为 6.6%。


Top 500 官网截图
中国已超前布局 E 级超算
众说周知，超算技术长期来被视为一个国家创新能力乃至综合国力的象征，在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核工业、军事、航天等高科技领域发挥着重要作用，因此也成为大国角力的擂台。
《日本经济新闻》指出，日本重返第一，意味着以超级计算机为目标展开的新国际竞争的重启， 而在资金实力上处于劣势的日本很难和中美展开同场竞技。
报道认为，围绕尖端技术展开主导权争夺的中美两国预计将在 1-2 年内投放每秒 100" 京次 " 运算的新一代超算， 按理论上的最高值，" 富岳 " 拥有每秒约 53" 京次 "（" 京 " 为 1 亿亿次）的计算能力。
" 此次日本之所以能夺取第一，原因之一在于目前超算正迎来升级换代时期，在这一背景下，日本比中美更早地投放了新一代机型。" 报道指出。
《朝日新闻》也提到，中国计划于今年推出的超算未赶上本次排名，富岳由此登上冠军宝座。
事实上，中美在超算领域你追我赶的态势已有数年。中国 " 神威 · 太湖之光 " 曾多次夺冠，美国 " 顶点 " 在 2018 年 6 月首次登顶后也连续四次夺冠，但是比 " 神威 · 太湖之光 " 的运算速度优势并未进一步扩大。
目前，作为 " 超级计算机界下一顶皇冠 "，E 级超算已成为世界各国在超算领域追逐的新目标。
2019 年底，美国相继宣布建造 " 极光 "" 前沿 " 和 " 酋长岩 " 三台 E 级超算，交付时间预计为 2021 年至 2023 年；日本目标是 2020 年研制成功首台 E 级计算机；欧盟首台 E 级超算预计于 2022 年到 2023 年交付。
中国也在 E 级超算领域 " 三连发 "。《北京日报》今年 1 月报道指出，中国 E 级超算已超前布局，神威 E 级原型机、" 天河三号 "E 级原型机和曙光 E 级原型机三个不同技术路线的原型机系统已全部完成交付。
美国《科学》杂志今年初预测，中国有望在 2020 年建造出世界第一台 E 级超算。


" 天河三号 " 原型机（资料图）
在 2018 年中国高性能计算机 TOP100 排行榜中，三大 E 级超算原型机均进入性能榜前十，分列第四、第六和第九位。同时，国外厂商无一入围这项榜单中，是中国超算 TOP100 榜单首次实现 " 全国产 "。
不过，新华网 2019 年 11 月曾撰文分析：从上榜数量和性能上看，中国已跻身超算大国之列。但是如果把超算 " 拆 " 开来看，中国超算发展还面临诸多挑战。
首先，在计算机芯片研制方面美国公司仍占据绝对优势，在上届超算 500 强榜单中排名前两位的 " 顶点 " 和 " 山脊 "，均使用了 IBM 公司生产的 Power9 中央处理器。从市场占有率来看，英特尔公司仍是中央处理器领域的 " 霸主 "，上期榜单中约 94% 都使用了英特尔 " 至强 " 或 " 至强融核 " 处理器。
" ‘神威 · 太湖之光’因使用中国自主研发的‘申威’芯片而备受瞩目，但更多中国企业建造的超算仍使用英特尔芯片，改变这种局面有很长的路要走。" 文章中认为。
2019 年 6 月，美国商务部将中科曙光、天津海光、成都海光集成电路、成都海光微电子技术和无锡江南计算技术研究所等 5 家机构列入所谓 " 实体清单 "。其中，中科曙光与江南计算技术研究所正是中国两大 E 级超算原型机的研制方。
当时就有分析认为，中国超级计算机研制近年来加速发展，国际上中美竞争的格局已经形成，这似乎并不是有的国家希望看到的。
事实上，早在 2015 年美国就开始对中国施行超算芯片禁售，从产业链条和技术层面进行遏制。不过，中国目前已完成超算自主可控生态体系的初步建设。" 天河一号 "、" 天河二号 " 小规模试用自主研制的飞腾 CPU；" 神威 · 太湖之光 " 安装 40960 个中国自主研发的 " 申威 26010" 众核处理器。
另外，神威 E 级原型机硬件、软件和应用三大系统中，处理器、网络芯片组、存储和管理系统等核心器件全部为国产化。而 " 天河三号 "E 级原型机则采用自主的飞腾处理器、天河高速互联通信和麒麟操作系统，实现了芯片的全国产化，告别了前代的英特尔芯片。
而中国超算发展面临的另一大挑战是，软件开发能力滞后限制了中国超算系统使用效率和应用水平。
有业内人士认为，科学或工程上大规模研究使用的系统才能叫超算系统。美国许多超算系统直接部署在大学或国家实验室等机构。例如，去年 6 月首次上榜就排进前五的美国超算 " 弗龙特拉 " 被誉为全球最强大超级学术计算机，部署在得克萨斯大学奥斯汀分校，已被用于模拟中子星撞击和脑肿瘤研究等领域。
新华网文章中指出，中国提交的一些超算系统曾被认为是互联网数据中心，应用面较狭窄。但是近来这种情况已有所改观，基于 " 神威 · 太湖之光 " 的两项应用 " 千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟 "" 非线性地震模拟 " 分别于 2016 年和 2017 年获得高性能计算应用领域全球最高奖项——戈登贝尔奖，展现了中国在高性能计算应用领域的强劲发展势头。


图片来源：日经中文网
栏目主编：秦红 本文作者：观察者网 文字编辑：吴宏浩 题图来源：新华社 图片编辑：雍凯