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各國競相研發百億億次超算 功耗是最大“攔路虎”

2017-12-07 08:16 來源:科技日報

  目前,有多個團隊正朝著研製出百億億次(exascale)超級計算機(以下簡稱超算)的目標挺進,但要實現這一目標,還面臨不少挑戰。英國《自然》雜誌在近日的報道中指出,降低超算的能耗非常重要,為此,科學家需要另辟蹊徑,在研製工藝上取得革命性突破。

  競相研發E級超算

  美國橡樹嶺國家實驗室正在緊鑼密鼓地研製超級計算機“尖峰(Summit)”。美國能源部希望在其2018年問世之日,這臺投資2.8億美元的超級“怪獸”能助美國奪回超算界“扛把子”的頭銜。“尖峰”的運算速度被設計為每秒進行20億億次浮點運算,比目前世界上運行速度最快的計算機還快60%。

  但對於喜歡“得隴望蜀”的計算機科學家來説,“尖峰”是他們的“隴右”,速度為其5倍的百億億次超算(也被稱為E級超算,被公認是“超算界的下一頂皇冠”)才是他們的“西蜀”,這意味著他們需要把現有最高計算性能提高10倍以上。

  目前,全球有多個國家正競相研發E級超算。中國計劃于2020年推出首臺E級超算;美國能源部啟動了“百億億次計算項目(Exascale Computing Project)”,希望于2021年至少交付一台E級超算,其中一台的名字為“極光(Aurora)”。據悉,美國在下一代超算技術方面的研發總投入將達到4.3億多美元,用美國能源部部長裏克·佩裏的話説,這些資金就是劍指“下階段研發百億億次系統的全球競賽”。此外,歐盟預計于2022年—2023年交付首臺E級超算;日本發展E級超算的“旗艦2020計劃”由日本理化所主導,完成時間也設定在2020年。

  超算之所以廣受關注,一方面是因為它體現了各國的綜合國力和科技創新能力;另一方面也在於它強大的能力。科學家估計,E級超算將在氣候科學、可再生能源、基因組學、天體物理學、軍事以及人工智慧等領域大顯身手,幫助他們解決目前無法解決的難題,比如,以更高的空間清晰度模擬全球氣候變化、模擬宇宙演化及核試驗等。

  降低能耗是大挑戰

  但理想很豐滿,現實很骨感,要想研製出E級超算,科學家面臨著極大的挑戰,功耗過高首當其衝。隨著速度和性能要求不斷提高,如果按現有設計方法,通過不斷增加處理器數量來研製超算,其體型和規模會越來越大,數據在存儲器和處理器之間進出所耗費的功率會越來越多。有人甚至預測,超算90%的功率將被用於數據輸送。

  有科學家已對此提出警告。2008年,美國能源部高級研究計劃局(DAPRA)計算機科學家皮特·寇格領導的團隊發佈報告稱,“功率是E級超算面臨的最大問題”,以現有技術研製出的E級超算功率可能高達千兆瓦,需要一個專門的核電站來給它供電,這樣的超算顯然沒有太大實用價值。

  隨著技術的不斷進步,2015年,寇格將功率估算值降到180兆瓦至425兆瓦之間,但這仍然遠超目前超算界龍頭、中國“神威·太湖之光”15兆瓦的功率。

  美國阿貢國家實驗室計算、環境和生命科學實驗室負責人皮克·斯蒂芬斯表示,目前很多科學家致力於降低超算的功率,最近幾年涌現出了一批新興技術,比如,讓存儲器更接近計算器,減少數據行進的距離;讓高性能存儲器向三維擴展而不是朝二維延伸;超算與閃存結合;在芯片不使用時關閉其中的電路;改變電壓或頻率等來節省功率等。

  需要革命性的方式

  科學家表示,除了上述技術之外,要真正降低能耗,需要製造工藝上出現革命性的突破。英特爾微處理器技術實驗室原主管謝卡爾·博卡説:“漸進式的方法將不再管用,我們需要革命式的方法。”

  據悉,中國首套E級超算系統的功率將不超過30兆瓦;法國可替代能源和原子能組織高性能計算專家簡-菲利普·諾米尼介紹稱,歐洲致力於將首套超算系統的功率保持在10兆瓦以內。

  美國“極光”的功率被設計為40兆瓦,絕對最大功率為60兆瓦。英特爾公司目前正為其研製芯片,儘管相關細節仍未知,但英特爾公司高性能和百億億次計算首席架構師阿爾·加拉表示,公司目前正在開發一個新平臺,包括新的芯片微體系結構等。而中國中科曙光目前正在研製的E級超算模型可能會採用與此前超算不同的方式。

  《自然》的報道指出,美國也有專家認為,應該反思超算的發展方向,改變追求峰值運算速度的模式,而注重實用價值。Top500榜單創始人、田納西大學計算機科學家傑克·東格拉就稱:“速度並不意味著一切。儘管汽車達到300公里/小時的速度讓人驚嘆,但大多數汽車的真正價值在於,在日常限速範圍內安全可靠地行駛。”

  此外,研究人員也在思考未來十年如何超越E級超算,研製出速度更快且性能更佳的超算。他們認為,下下一代超算可能需要採用一些目前“小荷才露尖尖角”的技術,包括能模擬大腦內神經元操作的神經形態電路或量子計算等。

編輯: 王如
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