使用國產芯的全球最快超算，“神威太湖之光”究竟厲害在哪里？

64年了，“神威太湖之光”取代“天河二號”登上榜首，中國超算上榜總數首次超過美國,名列第一。

（圖來自新華網）

據新華社6月20日消息，新一期全球超級計算機500強榜單20日公布，使用中國自主芯片制造的“神威太湖之光”取代“天河2號”登上榜首。更可貴的是，神威太湖之光與天河2號使用Intel的CPU不同，神威太湖之光采用了完全自主研發的國產眾核芯片——申威26010。而且高速互聯網絡和操作系統也是自主研發。

這不僅徹底實現了在超算領域徹底扭轉在技術和信息安全上受制于人的局面，還使美國對中國四家超算中心禁售Intel至強PHI計算卡成為笑柄，再次實現了“凡是國外技術封鎖的，中國人自己都能做出來”。

申威采用自主指令集

神威太湖之光使用了上海高性能集成電路設計中心設計的國產眾核芯片申威26010，該眾核芯片采用28nm制程工藝，主頻1.45G，擁有260個核心，雙精浮點峰值高達3.06TFlops，在雙精浮點上完全追平了Intel最好的超算芯片。正是得益于國產眾核芯片申威26010的強悍性能，加上良好的體系結構設計以及互聯網絡等核心部件，使超算擁有異乎尋常性能指標。

誠然，在介紹申威26010優點的時候，也不能忽略其短板——內存僅有136.51G，而且用的還是DDR3，相比之下，Intel的KNL和英偉達的Tesla都采用3D堆疊內存，內存帶寬更是達到512G(Intel PHI) 和 720G（英偉達 Tesla）。因為單個CPU的內存帶寬不大，所以對于現實生活中的應用，很難跑出接近峰值的性能。對于某些對內存帶寬要求高的應用，實際使用中就不如Tesla和PHI了。

每當中國取得技術突破之時，網絡上總會冒出一群“找爹黨”，本次神威太湖之光超算刷榜也不例外——一些人將申威26010與 DEC的Alpha聯系起來，并將其“認爹”。就事論事來說，申威確實與Alpha有一定淵源，但血緣關系非常淡薄，和DEC當年的Alpha已經完全是兩回事了（畢竟DEC被康柏收購已經快18年了），有人稱之為類Alpha自主指令集，筆者聯系過申威的科研人員，他明確表示是自主指令集。而本次大會上，相關單位明確表示Shenwei-64 Instruction Set (this is NOT related to the DEC Alpha instruction set)。請廣大網友不要給申威找“爹”，何況這個“爹”已經掛了18年了。

設計理念獨具一格的申威26010

當今超算的計算節點要么采用CPU+加速器的方式，要么完全采用相同的CPU。

（圖來自新華網）

采用CPU+加速器的方式，被稱為異構計算。

舉例來說，美國泰坦和中國天河2號為例，泰坦有18688個運算節點，每個運算節點由1個16核心AMD Opteron 6274處理器和1個NVIDIA Tesla K20加速器組成，共計299008個運算核心；天河2號有16000個計算節點，每個節點由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI組成，共使用了32000片Intel的E5 2692和48000片Xeon PHI；天河1A使用了14336片Intel Xeon X5670處理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能計算卡。這些超算的計算節點都采用了CPU+加速器的方式，因而都是采用異構計算超算的典型代表。

而完全使用同一塊CPU則被稱為為同構計算。

比如，日本超算“京”只采用的處理器是富士通制造的SPARC64 VIIIfx，神威藍光只采用了8704片申威1600，Mira和Sequoia，就只采用了PowerPC A2處理器，這些都沒有采用GPU或眾核芯片等加速器。日本的京，IBM 的Mira和Sequoia和中國的神威藍光都是同構超算的代表。

申威26010和神威太湖之光則顯得比較特殊，如果用相同類型指令集和體系架構的計算單元組成系統的計算方式來定義同構計算，那么，由于神威太湖之光只采用了申威26010，也許會被認為是同構計算。但實際上，神威太湖之光雙精浮點峰值高達125PFlops，穩定性能為93PFlops確實是采用加速器才取得的高性能——本質上，申威26010是將CPU和加速器合二為一——申威26010的260個核心分為2種，一種是管理核心，發揮類似CPU的功能，另一種是運算核心，發揮類似加速器的作用，這就使申威26010單芯片能夠完成Intel E5+PHI，或Power+Tesla兩款產品的功能。

而且相對于Intel E5+PHI，或Power+Tesla，申威26010能夠實現共享內存，這就避免了Intel E5+PHI，或Power+Tesla必須面對的顯式拷貝，從而降低了對內存的壓力，并減小了性能損失。想必也是如此，申威26010的緩存和內存都顯得偏小，因為訪存模型可能非常單純——等于是放棄現有cpu的復雜內存管理模型，把內存調度的任務完全交給開發者，只在CPU支持一個最簡單的訪存模型，在硬件上沒有cache的硬件一致性要求（Intel KNL將Cache一致性交由硬件負責），將同步的工作交給軟件。這種異乎尋常的設計在申威26010擁有高性能和低功耗的同時，彌補了在內存上的短板。

神威太湖之光到底有多強？

神威太湖之光刷新TOP500排行榜，依靠的是其強悍的雙精浮點性能——其高達125PFlops雙精浮點峰值和93PFlops穩定性能讓世人驚嘆。

其實，除了擁有超強的雙精浮點性能之外，神威太湖之光還擁有整機效率高，整機功耗低、性能功耗比高，整機體積小等一系列優點。

高性能——神威太湖之光雙精浮點峰值高達125PFlops，穩定性能為93PFlops，相比較之下，美國超算泰坦的雙精浮點峰值高達27 Pflops，穩定性能為17.6 PFlops，天河2號的雙精浮點峰值高達54.9Pflops，穩定性能為30.65PFlops，由此可見，神威太湖之光在穩定性能是美國超算泰坦5.2倍。

高效率——神威太湖之光整機效率高達74.16%，相比較之下，美國超算泰坦的整機效率為65.19% ，而河2號的整機效率為55.83%，由于超算性能越強，規模越大，整機效率提升就越困難神威太湖之光在穩定性能是美國超算泰坦5.2倍的情況下，整機效率依然大幅優于泰坦，整機效率之高簡直令人驚駭。

低功耗——神威太湖之光的功耗為15.3 MW，美國超算泰坦功耗為9MW，天河2號為17.8 MW，可以說，神威太湖之光的穩定性能達到天河2號3倍的水平，但整機功耗卻低于天河2號。

性能功耗比高——神威太湖之光的性能功耗比高達6G/W，相比之下，TOP500超算榜單上的競爭對手都相形見絀——天河2號的整機性能功耗比為1.95G/W，美國泰坦超算的性能功耗比為2.143G/W，美國超算紅杉整機性能功耗比為2.069G/W，日本超算“京”整機性能功耗比為0.830/W......即便是全球Green500排行榜，神威太湖之光也能排至第三位。由于Green500排行榜第一和第二的超算只采用了低功耗版的Intel E5，性能非常弱，而即便是采用英偉達K80加速卡的超算，其整機性能功耗比也只有4.7G/W。因此，神威太湖之光在性能功耗比上顯得格外耀眼。

小體積——神威太湖之光機柜占地605平方米，美國超算泰坦機柜占地面積404平方米，天河2號機柜占地面積720平方米。

結語

在CPU、操作系統、互聯網絡等核心部件全名自主化后，一些人以“超算性能過剩論”來指責神威太湖之光超算性能過剩，是面子工程，根本無用。

對于“超算性能過剩論”，筆者認為，對性能的追求是永遠不會停止的，計算用的代碼是可以修改計算精度的，如果有更好的計算條件用戶自然會提高網格密度或粒子數目，稍加修改就使計算精度提高了，高的精度可以用來解決更深一層的問題。所以做性能多高的超算都不會性能過剩，做超算從沒有夠用的說法。

正如奧林匹克格言“更快、更高、更強”，超算同樣只有不斷追求更快。

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