这几年ARM处理器一直想在高性能计算市场分一杯羹，不过进展并不大，高通投入研发了10nm 24核/48核ARM处理器，主攻服务器市场，不过今年已经裁撤大部分员工，不再大规模投资该领域了。但是其他阵营尝试ARM高性能计算的努力并没有放弃，美国能源部就推出了Vanguard（先锋盾）计划，主要就是评估新兴的高性能计算架构作为生产力平台的可能性，Astra超算就是这个计划中的一部分。

Astra超算将使用凯为半导体（Cavium ）前不久才推出的ThunderX2处理器，后者基于64位ARMv8架构，根据官网介绍，ThunderX2处理器支持单路32核、双路64核配置，支持每核4线程，标准频率2.5GHz，加速频率3GHz，支持8通道DDR4，56条PCIe通道，使用台积电16nm工艺制造，规格很强悍。

根据桑迪亚国家实验室的资料，Astra超算将由2592个节点组成，每个节点配备28核处理器，双路配置，，是智能手机芯片性能的100倍。

Astra超算峰值速率将达到2.3 PFLOPS，也就是2300千万亿次，这个性能相比Summit超算的200 PFLOPS性能不过1%的水平，但在TOP500中也能排进前200位了。

使用ARM处理器做超算，一种重要目的就是降低能耗，提升能效比，桑迪亚实验室没有公布Astra超算的功耗数据，不过比起Summit超算的13MW显然会低得多的多。

Summmit超算跟美国上一次获得TOP500冠军的超算Titan一样都是CPU+GPU异构体系的，不同的是之前使用的是AMD Opteron 16核及NVIDIA Tesla K20X加速卡，这次使用的是IBM Power 9 22核处理器及NVIDIA Tesla V100加速卡。

异构超算的性能强大很大程度上取决于GPU的性能，在Summit超算中也不例外，其20亿亿次的性能绝大部分都来自GPU。在这套系统中，总计4608个节点，每个节点配备了2个IBM Power 9处理器及6个Tesla V100加速卡，而且使用的是性能最强的NVLink版Tesla V100加速卡，单精度性能15.7TFLIPS，双精度性能7.8TFLOPS，Tensor性能125TFLOPS。

根据NVIDIA所说，他们的27648个GPU能够带来300亿亿次的Tensor性能，从这点上也可以算出Summit使用的Tesla V100其实是降频了的，按照NVIDIA之前公布的数据来算其Tensor性能将达到3.456百亿亿次（17648*125TFLOPS）。

NVIDIA表示Summit的性能是Titan的100倍多，其中95%都来自NVIDIA的Tesla加速卡，不过这指的是Tensor性能，实际性能只是Titan的10倍多点，再者说跟CPU比Tensor性能也有点关公战秦琼的意味，后者本来也不是做这个的。

通常来说，CPU+GPU异构超算在跑程序上不如纯CPU架构那么高效，不过好处就是性能强，能效高，13MW的功耗只比Titan的8-9MW高出50%左右，但性能提升了10倍多，Tensor性能提升了100倍。

国内现在同时启动了三大百亿亿次超算研发，分别是国防科大/天津超算中心的天河三号、中科曙光的E及超算以及江南所/济南超算中心的神威E级，此前见诸报道的是天河三号，新华社去年报道过天津超算中心的天河三号进展，预计2017年底完成样机研制。

以上三套百亿亿次超算中，有一条要求是共同的，那就是核心处理器必须是国产的，神威·太湖之光上已经用了国产申威SW26010处理器。

那么中国的百亿亿次超算在国际上的水平是怎样的呢？上海交通大学HPC中心的副主任James Lin在推特上分享了Jack Dongarra教授（TOP500创始人）有关百亿亿次超算的进展情况，对比了中美欧日各自的E级超算设计。

美国的E级超算预计在2022-2023年问世，处理器当然是美国制造，预计每套系统价值6亿美元，此外还有大量的研发经费。

欧盟的E级超算预计在2023-2024年问世，使用的是美国、欧盟处理器，架构有可能类似ARM，每套系统价值3-3.5亿美元，另有大笔研发经费。

中国的E级超算预计在2021-2022年问世，不过中国十三五是2020年结束，这也是新一代超算问世的重要节点。中国的处理器也是中国自己供应，每套系统价值3.5-5亿美元，在四强中花费第二少，仅次于欧盟。

日本的超算预计在2022年问世，不过它很可能是一个AI/DL/ML系统，处理器也是日本公司供应，预计每套价值8-10亿美元，成本上来说是四强中最贵的，不过这个是包括系统和研发费用在内的。

结合国内的公开消息来看，中国在下一代百亿亿次超算中很可能是第一家搞定的，花的钱也不算多，顺带着还要搞定国产高性能处理器。

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在1993年到1994年那段时间，美国NASA的两位工程师Donald Becker和Thomas Sterling通过购买现成的计算机绑定以太网通道建造了Beowilf超级计算机。到目前为止，这种集群设计依然是最流行的组建超级计算机的方式，在Top 500榜单上起码有437台计算机使用集群设计。

1993年6月份发布的第一份Top 500超级计算机榜单中，Tux（就是那只憨厚的企鹅）甚至还不是Linxu的吉祥物。直到1998年，Linux才进入到超级计算机的领域中，在此之前超级计算机御用的系统都是Unix。从2003年开始Linux逐渐统治Top 500，1年后Linux的占有率已经遥遥领先Unix。

Linux之所以会占据主动位置有两个原因：第一，由于世界上最顶级的超级计算机都是专门为特定任务而建造的研究产品，因此每台超级计算机都会有其特性和优化要求。第二，没人会专门为一项任务开发一定定制系统，使用Linux后，研究团队可以为一次性设计轻松修改和优化Linux的开源代码。

例如Linux4.14让超级计算机能够使用异构内存管理（HMM），使GPU和CPU可以访问进程的共享地址空间，Top 500中有102台都使用GPU加速/协处理器技术，性能表现会更好，这要归功于HMM。因此，Linux的统治地位无法被撼动，除非迎来一场硬件革命。

以太湖之光为代表的超算把计算性能推向了10亿亿次，峰值12.5亿亿次，Linpack性能是9.3一次，下一代超算则是Exascale级别，也就是百亿亿次超算，是目前超算的8-10倍性能。美国能源部前不久拨款2.58亿美元给Intel、AMD、NVIDIA、IBM等六家公司就是为了研发E级超算，预计在2021年问世。

国内也没放松新一代超算研发，早前我们也报道过了国内去年有三大百亿亿次超算同时研发，分别是国防科大/天津超算中心的天河三号、中科曙光的E级超算以及江南所/济南超算中心的神威E级，其中天河三号预计2017年底完成关键技术验证，2018年初完成样机。

济南超算中心的神威E级超算也有明确的时间了，科技日报援引山东省科学院计算中心（国家超算济南中心）副主任潘景山的消息称神威E级超算原型机预计在2018年6月份与国人见面，并正式落户国家超算济南中心。

目前神威·太湖之光超算已经在国产化上实现了处理器国产化，未来的神威E级号称全国产，其他两套E级超算大概一样会有国产化的要求，都会把自主研发作为重点来抓。

在这三大E级超算中，天河三号、神威E都有了时间表了，曙光的E级超算目前还没有确切消息，不过去年的曙光开发大会IDIC上，副总裁沙超群展示过了E级超算的原型机，除了高扩展性的节点设计之外，曙光E级超算还会用上相变冷却的散热方式，他说“整个系统都会浸泡在液体中，通过相变带走热量，然后这些气体会移到一个气体准直当中，通过常温水的冷却变成液体，重新回到服务器里面。”

这种散热方式其实不新鲜，原理跟大型集群计算常用的沉浸式液冷系统一样，台北电脑展上技嘉及3M展示的液冷系统也是这种方案。

除了性能之外，新一代E级超算还要解决两大难题，一个是能耗，一个是软件应用，这也是老生常谈的话题了。

神威·太湖之光不仅是性能世界第一，它的处理器也是国内研发、生产的，江南所研发的申威SW26010处理器独创了260核（256核CPE计算+4核MPE管理单元）架构，频率1.45GHz，每个节点8GB DDR3内存，256个节点组成1个超级节点，160个超级节点互联连接，因此总计是40960个节点，10649600个核心，内存容量1.3PB。

在软件应用上，神威·太湖之光超算上有三个应用获得了戈登·贝尔奖，分别是中科院软件所与清华大学、北师大合作的“全球大气非静力云分辨模拟”；国家海洋局海洋一所与清华大学合作的“高分辨率海浪数值模拟”；中科院网络中心的“钛合金微结构演化相场模拟”，在这3项应用中已经有2项的性能达到了30-40 PFLOPS，占了整个性能的近一半。

不过神威·太湖之光的应用不能只靠这三个重点项目，支持更多科研项目、提高应用率才是关键。人民日报援引无锡超算中心主任杨文广的话称，“神威·太湖之光”一年来的利用率已经超过50%，累计拥有几百项应用课题，目前有一些重大项目正在“神威·太湖之光”上进行全机调试，比如2016年“戈登·贝尔奖”获奖应用“全球大气非静力云分辨模拟”，还有一些应用目前正在“神威·太湖之光”上一边进行小规模调试，一边排队等待更大规模应用的档期。

此外，原文还表示“神威·太湖之光”应用领域涉及天气气候、航空航天、先进制造、新材料等19个方面，支持国家重大科技应用、先进制造等领域解算任务几百项，一年来共计完成200多万项作业任务，平均每天完成近7000项。据付昊桓介绍，“神威·太湖之光”已经应用于代表未来“黑科技”发展方向的研究领域，比如“人造小太阳”，也就是核聚变发电的相关理论与实验方面的模拟。

中国航空、航天的相关研究机构目前正与无锡超算合作进行C919大飞机多种飞行状态的模拟，以及天宫系列航天飞行器的飞行状态模拟。山东的一家公司还在利用“神威·太湖之光”的超强能力进行动漫制作。据介绍，这样不仅可以制作出更加逼真的动漫渲染效果，而且可以大幅缩短制作周期。

早前有人在微博、小超哥（id:9501417）微信朋友圈及文章评论中要求介绍超算应用例子，以上介绍的就是超算应用的一些例子，在天气预报、航空航天、先进制造、新材料、核聚变、飞行模拟、动漫制作等领域都有需要，原文没提到的还有药物研发、石油勘探等等，对性能运算要求较高的领域几乎都能用到超算。

中国在超算领域的发展确实引人注目，这几年不少外媒也在报道中国超算突飞猛进。中国青年报援引国家863计划“高效能计算机及应用服务环境”重大项目总体专家组组长钱德沛教授的话称“中国的‘超算’确实是走过了一条超常规发展之路。按照国际常规，20年计算速度提高100万倍，而我们在过去20年里，‘超算’运行速度提高了5000多万倍。”

那么中国超算快速发展的背后有什么原因呢?钱德沛认为，这是国家持续支持的成果，首先在国家层面优先发展，持续投入，集中力量办大事，中央、地方政府、应用部门多渠道支持；其次，也是科技界团结协作的结果。不过还有一个问题也做了“贡献”，“禁运促进了我们在‘超算’领域的自主研发。”钱德沛在接受中国青年报·中青在线记者采访时说。

美国的禁运到底是怎么回事呢？2015年4月份美国政府宣布制裁中国四家超算中心以及国防科技大学，禁止Intel等美国公司向中国出口高性能计算芯片，理由是中国的超算涉嫌用于核爆试验。当时中国的天河2号排名TOP500第一，使用的就是Intel Xeon E5处理器及Xeon Phi加速卡，美国的禁令封杀了中国继续获得Intel高性能芯片的可能。

不过美国对高性能芯片的封杀并没有阻止中国在超算领域取得进步，在此后的几次TOP500排名中，中国的超算依然在有条不紊地升级，去年6月份神威·太湖之光又超越了天河2号登顶新的第一，它使用的是国产申威SW26010处理器，独特的260核架构，详情可以参考我们之前的分析。

不过在美国的禁运到底对中国有没有影响这件事上，钱德沛的表态跟之前太湖之光团队的意见不同，前者认为美国的禁运推动了中国的超算发展，但是无锡超算中心掌门人杨广文去年对环球时报表示“美国对中国的技术封锁是一贯的，中国并非因为美国封锁才搞自主可控芯片，而是很早之前就开始布局，2014年立项时就要求神威·太湖之光的核心技术是完全国产化的，因此当年底就完成了原型机测试，禁售令公布半年之后，太湖之光就完成了研发工作。”

一款高性能处理器从立项研发到最终出产品并应用需要数年时间，从这点上来看确实不能说申威处理器是美国禁运之后的产物，短短半年时间是不可能完成处理器研发、生产到超算应用的。中国发展高性能超算芯片确实受到了美国禁运影响，但就算没有美国禁运，中国开发自主可控的超算芯片也是一直在做的。

神威·太湖之光是全球首个10亿亿次超算，也是目前唯一一个，不过下半年有可能被IBM、NVIDIA研发的Summit超算超过，后者的性能可达15-30亿亿次，Intel还在研发18-45亿亿次的超算，预计在2018年问世。

不过中国、美国及日本都在争抢下一代百亿亿次超算了，美国能源部前几天拨款2.58亿美元给IBM、Intel、AMD、NVIDIA等六家公司，联合研发百亿亿次超算，预计2021年问世。中国国内至少有三个百亿亿次超算，进度较快的天河3号预计今年底完成原型机，明年完成样机，2020年前投入使用。

钱德沛表示“E级计算机的方案中，自主可控是首要的，而能耗、应用性能、可编程性、可靠性等，都是我们面临的重大技术挑战。”钱德沛说，“从目前看，3个验证系统各有特点，采取不同的技术路线。但目前还没有形成完全可行的E级计算机的技术方案，需要继续探索。

PS:提到中国超算，被人质疑最多的就是芯片，之前被骂处理器不是国产，现在太湖之光上是国产处理器了，喷点又变成了超算没用，不过太湖之光上有三个应用获得了戈登·贝尔奖，这是超算应用中最具含金量的奖项了。对于这些质疑，小超哥（id：9501417）微信觉得大家还是要理性看待中国超算发展，不要否认成绩，但中国也没到可以沾沾自喜的程度，不要盲目也不要自卑到跪着站不起来，看了中国青年报的报道，虽然还是有浓重的宣传味道，但是大部分中国科技工作者对中美的技术差距还是很现实的。

神威·太湖之光卫冕成功并不让人意外，从去年上半年首次拿下TOP500第一之后，它就以峰值125PFLOPS、实际93PFLOPS的性能在去年下半年蝉联冠军，直到现在依然是全球首个性能超过10亿亿次的超算，不过要是不升级的话，今年下半年IBM、NVIDIA研发的、代号Summit的新一代超算就会超过它了，浮点性能可达150-300PFLOPS。

神威·太湖之光处理器不仅仅是帮助中国卫冕TOP500超算冠军，它更重要的意义是使用了国产260核申威SW26010处理器，而且在系统应用上也拿下了最具含金量的戈登·贝尔奖，详情可以参考我们之前的申威处理器分析文章，或者关注小超哥（id:9501417）微信。

这次的TOP500榜单中，第二名是中国的天河2号，再太湖之光之前它是六届TOP500冠军，理论浮点性能54.9PFLOPS，Linpack性能33.86PFLOPS，主处理器是12核的Xeon E5-2692 v2，辅以Xeon Phi 31S1P加速卡。

欧洲国家研发的Piz Daint超算今年位居全球TOP500第三

以往的第三名是美国的“泰坦”超算，不过这次第三是欧洲国家研发的Piz Daint，位于瑞士的国家超算中心（CSCS），之前的Linpack峰值性能为7.78PFLOPS，大约是天河2号的1/5多点。不过2016年开始这台超算开始升级，用上了Intel Xeon E5-2690 v3处理器及NVIDIA的Tesla P100加速卡，浮点性能大幅提升到了25.3PFLOPS、Linpack性能19.6PFLOPS的水平，成功挤下美国的泰坦超算，成为第三。

这也是最近几年来欧洲首次挤入前三，此前能在超算领域争夺第一的主要是中美两国，而在TOP500超算24年的排名历史中，类似中国包揽前两名、挤掉美国超算地位的情况也只出现过一次，上次是1996年日本占据了TOP3中的两个名额。

TOP10中的5到10名分别是Sequoia（红杉，位于美国）、Cori（位于美国）、Oakforest-PACS（位于日本）、K/京（位于日本）、Mira以及Trinity，后两者也都是美国国家实验室拥有的。

此外，前两次的TOP500榜单中，中国上榜的超算数量要么与美国持平，要么超过美国，不过这次美国还是以169台的总数赢回了第一，中国则以160台位列第二，日本有33台，德国28台，法国17台，英国也有17台。

2.58亿美元研发百亿亿次超算是不够的，这次是美国能源部出资60%，六家公司承担40%，总投资是4.3亿美元，约合29亿人民币，中国研发太湖之光超算用了18亿经费（详情可以加小超哥id：9501417咨询），新一代百亿亿次超算的研发费用肯定要上涨了。

这也不是美国能源部第一次拨款研发超算了，2014年以来美国政府部门先后拨款3.2亿美元、2亿美元给IBM、NVIDIA以及Intel、Cray公司研发10亿亿次、45亿亿次超算，其中IBM与NVIDIA联合开发的有Sierra及Summit两套超算，后者性能在15-30亿亿次，性能比中国的太湖之光高1-2倍，预计今年下半年问世。

这次美国政府拨款研发的是百亿亿次，也就是Exascale超算，这也是中国、美国、日本及欧洲等地区抢夺的下一个超算制高点，不仅仅是性能提升一个量级，更重要的是能耗也要大幅下降。中国内地现在有两三套百亿亿次超算在研发中，其中天河三号的原型机最快在今年底问世，样机在2018年问世，2020年前会正式启用。

美国现在研发的百亿亿次超算预计在2021年问世，这个进度已经比之前预计的2022-2023年快了一些了。

中国的太湖之光超算已经把计算能力推向10亿亿次，各国研发的下一代超算则是百亿亿次，也就是Exascale级别，计算性能为1000PFlops，太湖之光的峰值性能才是125PFLOPS。在E级超算研发方面，美国有IBM、NVIDIA、Intel公司投入研发，日本的富士通公司也计划在2021年间推出百亿亿次超算。

中国保持了多年TOP500冠军，下一代超算上也不甘落后，目前国内同时启动了三大百亿亿次超算研发，分别是国防科大/天津超算中心、中科曙光/上海、深圳超算中心以及江南所所/济南超算中心的神威E级。现在曝光率最高的就是天津超算中心的天河系列超算。

从新华社昨天发布的通讯稿来看，天津超算中心的新一代超算定名为“天河三号”，目前该中心安装的是天河一号，浮点性能约为2.57PFLOPS，是国内首台千万亿次超算，2010年夺得过TOP500冠军。天河二号则是位于广州超算中心，2013年起就一直霸占TOP500榜首，直到去年6月份被无锡超算中心的神威·太湖之光击败。

根据新华社所说，目前天津超算中心服务科研、企业、政府机构上千家，“天河一号”上每天运行的计算任务数超过1400个，已进入“过饱和”运行状态。为此他们与国防科大联合开展了“天河三号”超算的研发。

百亿亿次超算研发需要突破很多技术瓶颈，包括高性能芯片、高速互联通信技术，天津中心主任助理孟祥飞在接受采访时表示2017年内将完成天河三号的关键技术验证，样机预计在2018年初完成。

从美国、日本的进度来看，如果天河三号在明年初问世，那么它将成为世界首台浮点性能达到百亿亿次的超算，2017年的TOP500冠军又要易主了，不过下一次中国的超算就要占据前三名了。