天河二号登TOP500：荣誉的背后还有各种伤？

  先来说说大家都知道的：

  2013年6月17日，由国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机，以峰值计算速度每秒54902.4万亿次、持续计算速度每秒33862.7万亿次双精度浮点运算的优异成绩“干”掉了美国和日本的超算，获得世界超级计算机TOP500的榜首。值得“拍手”的是，天河二号的速度比第二名美国的泰坦快了一倍。

天河二号超算中心

  一些数字

  “天河二号”720平方米，造价1亿美元，占地运算一小时，相当于全国13亿人同时用计算器计算一千年。其系统的存储总容量相当于600亿册每册10万字的书籍。

  在架构方面，天河二号使用了自主研发的网络系统和操作系统，网络系统使用了国防科大自主研发的，基于SPARC指令集的FT-1500处理器，操作系统则是我国自主开发的麒麟操作系统。天河二号大约有13000个计算节点，每个节点使用了两颗Intel Xeon E5-2692 V2 CPU和3个Xeon Phi 31sp Co-processor。Xeon E5-2692 V2是由英特尔开发并尚未上市，每颗CPU有12核心，主频2.2GHZ;而Xeon Phi 31sp则是Intel开发的协处理器，用来执行密集浮点运算。 理论上，天河二号的最大浮点运算性能可达到54.9PFlops，而实测运算性能达33.86PFlops，效率达到60%左右。

  仅仅是“速度快”吗？

  研发一个超级计算机需要哪些技术呢？包括硬件层面的核心处理器、网络、存储架构、操作系统、编程平台、数据传输等核心技术，此外在能耗控制、制造工艺等方面也需要考量。所以，并不仅仅是“速度”上的突破。

自主研发的FT1500处理器

  下面简单回顾一下超级计算机的历史：第一代超级计算机，在架构上和普通意义上的电脑没什么区别，也就是由“主控制器、存储器、运算器、输入和输出设备”组成，不同的是采用专门设计的CPU来提升运算速度，其瓶颈是单个CPU的速度上升之后，在降低能耗、解决散热等亟待解决的问题难度系数大大增加;后来，开始增加CPU数量，也就是多核，用以提高速度，但是在公共内存和维护缓存等方面又遇到了瓶颈，导致扩展能力有限，在核数变多之后，速度提升也变得有限了。于是，第三代超级计算机，也就是分布式多CPU架构(MPP)出现了：采用多个独立CPU执行一个任务，采用分布式存储系统，每个CPU和独立内存构成一个节点，避免了上一代计算机的瓶颈问题，但是成本控制问题又开始显现……天河二号所采用的新一代集群结构，也就是基于网络的分布式集中计算，属于第四代超级计算机架构。它的优势是把多个节点通过高速网络连接，进行统一调度并行处理，集群中的每个节点都有自己的存储器和I/O设备。

LSW交换机刀片

把16000个节点连起来的整齐的布线

  可以说，研制一台超级计算机核心技术的体现是在架构设计上，通过优化的架构设计使得这些CPU的效率可以发挥出来，同时能耗控制在一个合理的水平。中国在天河一号率先研发使用了“CPU+GPU多态异构体系”，而天河二号得到了改良，实现了多类型计算资源、输入输出资源和服务资源等方面的灵活配置，并扩大了应用领域，可支持大数据处理。

  各种“伤”之一：核心零部件仍需进口

  遗憾的是，这台拥有了很多闪光点的超算，并没有实现全国产化。天河二号的CPU是英特尔的Xeon和自主生产的FT1500， MIC是英特尔生产的Phi协处理器。所以，3.2万个Xeon 和4.8万个Phi构成了主要的计算结点，大约4000个FT1500组成的服务阵列。FT1500基于Sparc标准设计，性能不错，虽然此次决心减少了对美国零部件的依赖，但总体结论是，中国在处理器的设计制造方面仍然是落后国际先进水平的。

  各种“伤”之二：没有龙芯的影子

  说到这里，可能一些人会问，为什么天河二号没有采用“龙芯”？ 龙芯在研发之时就有了自己的发展方向：其一个是向工业领域发展，建嵌入式系统;其二就是向集群方向发展，组建超级计算机。但目前，两个方面还都不是很突出。龙芯最大的特点是安全方面，其最主要的应用市场在于相对封闭的领域，如国防、政府和金融。然而，据龙芯设计团队负责人称，还需要20年才能把龙芯处理器卖到美国去，才能和英特尔、AMD抗衡。

  各种“伤”之三：投入回报、应用前景仍有争议

  天河二号登榜之后，大多数媒体在“唱赞歌”，但质疑声也不少：“拼速度，搞竞赛，没意义!”、“片面追求担心速度指标!“、”重硬件、轻软件!“…….

  这台天河二号的投入金额是十亿级别的，每年的维护费和耗电量至少也有几千万。那么，这么多的投资能否有相应的回报呢？由于刚宣布投入使用，所以结论谁也说不好。反观美国政府最近对超级计算机只是进行了零散的投资，中国在投资方面一直很稳定，所以天河二号能打败美国的超算，也就不奇怪了。

  超算在很多领域都大有可为，从天津超算中心官网给出的案例来看，在石油勘探、动漫渲染、生物医药、高端设备制造、航空航天、天气预报、环境工程、遥感数据处理、大型土木工程应用、基础科学研究等领域都可以应用超算。而最重要的一个领域则是国防领域，这里面估计有一些未公布的、大家不知道的一些军事用途。

  最后一个问题，从上面的论述来看，超级计算机是在很多领域都可以发挥很大作用的，但是，超算的市场规模有多大？超算中心的利用率至今没有任何公布的数据，是否满负荷运行？使用率是多少？这些是还是疑问。