E级超算 将成世界各国争夺的“下一顶皇冠”

　　人类对宇宙探索的好奇心以及对问题规模和精度的追求，决定了人们对超级计算能力的需求“不会止步”。在百P超算实现之后，E级超算，也就是百亿亿次超级计算机，将成为世界各国争夺的“下一顶皇冠”。

　　“新科”全球最快超级计算机“神威·太湖之光”亮相之后，全世界为之一震。“全球第一快”有多快?国家超级计算无锡中心主任杨广文打了一个比方：“神威·太湖之光”1分钟的计算能力，相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。

　　这个速度就是93PFlops，浮点运算速度每秒9.3亿亿次——人类历史上第一次，将高性能计算机的运转速度记录接近至每秒十亿亿次这个数量级。

　　然而，人类对超级计算机性能的追求没有止境。“超算性能每提高1个数量级，人类对它们的需求可能提高1000倍，也就是3个数量级。”中科院计算所研究员、中国计算机学会高性能计算专委会秘书长张云泉在接受记者采访时说，人类对宇宙探索的好奇心以及对问题规模和精度的追求，决定了人们对超级计算能力的需求“不会止步”。

　　“在百P超算实现之后，E级超算将成为世界各国争夺的‘下一顶皇冠’，也就是百亿亿次超级计算机。”张云泉对记者说。

　　预计2020年左右实现

　　超算水平是一个国家综合国力和科技创新能力的重要标志，各国对E级超算的争夺，无不掺杂着国家战略的意味。

　　自“天河二号”于2013年11月正式登顶当时的超算TOP500榜首之后，美国这个头号超算强国已连续3年未曾染指这一宝座。然而，种种迹象表明，美国从未在“最快超算梯队”上掉队。

　　全球超算TOP500排行榜发起人、橡树岭国家实验室及田纳西大学教授杰克·唐加拉(Jack Dongarra)在接受记者邮件采访中说道，美国能源部通过国家战略计算计划(NSCI)以及与产业界和学术界的合作，正在推行能进行百亿亿次计算系统的开发。“该系统集成了硬件和软件能力，在一系列代表政府需求的应用中的表现将是目前10千万亿次系统的100倍。”

　　记者了解到，欧洲、日本也制定了自己的E级超算研发计划，并将相应计划的完成时间表设定在了2020年。

　　张云泉透露，中国也将百亿亿次超级计算机及相关技术的研究写入了国家“十三五”规划，同时也希望在2020年左右实现这一宏伟研究计划。出人意料的，在几个制定了相关计划的国家中，只有美国相对“悲观”，他们预计百亿亿次超级计算机的建成或许需要到2022年。

　　业内人士认为，美国此举或许并非故弄玄虚，因为随着高性能计算机运算规模的增加，建造它的难度可能将是几何级数的提升。

　　E级超算的挑战

　　张云泉告诉记者，百亿亿次超级计算机的建造难度并不仅仅在于速度的提升，更在于对大规模超算设备的功耗要求。按照由美国倡导的国际公认标准，E级超算的功耗应低于20MW。按照这一功耗目标要求，未来的E级超级计算机的能效比要达到50 GFlops/W。

　　这在张云泉看来，是一堵难以逾越的高墙，毕竟排在Green500第三位、创造了大规模高性能计算机效能比的最好成绩的“神威·太湖之光”每瓦性能只有6 GFlops，仍相差一个数量级。

　　“功耗墙很难逾越，是各国都在面临的难题。”张云泉对记者说：“现在大家希望采用异构加速或异构综合的方式来降低功耗的要求，但由此带来的是编程的困难。因此，可以说研发E级超算实际上面临着编程墙、功耗墙、可靠性墙和存储墙几个‘大墙’的围堵，如何越过这几堵墙，面临很大的挑战。”

　　在被问及这一问题时，杰克·唐加拉给记者列出了一份“没有特定顺序”的百亿亿次计算实现之前的“TOP10挑战”名单，具体地描绘出了实现百亿亿次超级计算机之路上“拦路虎”的样子。

　　在这份名单里，关乎计算性能的挑战有2个，分别是研发更节能的电路、电源和冷却技术和增加数据流动的性能和能量效率;关乎计算硬件的更新升级的只有1个：集成先进的内存技术以提高容量和带宽;而关乎软件和开发环境方面的挑战则有不少，分别是开发可扩展更强的系统软件、发明适于大规模并行处理的新的编程环境、创建更优化的数据管理软件等。在这份列表中，杰克·唐加拉还提醒计算科学家们需要从系统或更高角度准备迎接E级计算的挑战，比如要重塑百亿亿次超算系统对科学问题的解决方案、提高用新的软件工具和环境的生产力、确保E级超算发生故障时科学计算的重现性等。