星光灿烂 解读最新全球HPC TOP500榜
行业观察
2010年5月31日，德国汉堡，最新的全球超级计算机TOP500排行榜被公布，并迅速成为全球行业用户关注的焦点。最新的TOP500排行榜有何特点呢？能从中看出目前HPC的发展走向吗？
国产“星云”中了“榜眼”
2010年5月31日，对于中国超级计算机产业来讲，是一个可以载入史册的日子，在德国时间公布的第35届全球超级计算机TOP500排行榜中，来自曙光公司的“星云（Nebulae）”超级计算机排名第二，创造了有史以来中国高性能计算机全球排名的最好成绩。
榜单中最耀眼的“星云”是在国家“863”计划重大专项支持下，由曙光信息产业（北京）有限公司、中国科学院计算技术研究所、国家超级计算深圳中心共同研制，由曙光集团天津产业基地制造的一款拥有自主知识产权的超千万亿次的超级计算机，是国内首台实测运算性能超千万亿次的超级计算机，其系统峰值运算性能接近每秒3000万亿次，实测Linpack运算性能也可达1.27 Petaflop/s。
“星云”也是全球第三台实测运算性能（Linpack值）达到每秒千万亿次水平的高性能计算机，它使我国成为继美国之后第二个能独立制造千万亿次超级计算机的国家。此前，虽然“天河一号（Tianhe-1）”也号称迈入了千万亿次计算机行列，但它只是理论峰值运算性能可达1.206 Petaflop/s，其实测Linpack值为563 Teraflop/s(万亿次/秒)。众所周知，理论浮点运算峰值是计算机理论上可达到的每秒钟能完成的浮点计算最大次数，它主要是由CPU的主频决定，理论浮点运算峰值=CPU主频×CPU每个时钟周期执行浮点运算的次数×系统中CPU数目，服务器的实际运算性能往往与之差距很大，所以国际上通行用Linpack值来评判超级计算机的性能。Linpack值作为国际上最流行的用于测试高性能计算机系统浮点运算性能的指标，也是全球HPC TOP500榜的排名依据。实测Linpack值达1.27 Petaflop/s，让“星云”顺利地超越了著名的超级计算机“Roadrunner（走鹃）”，勇摘银牌。
并且，“星云”不光具备高性能的特点，据曙光公司介绍，它还具备高效能（采用了自主设计的HPP体系结构、高效异构协同计算技术、高效易用的CUDA开发环境）、高可靠性（全冗余设计，无单一故障点）、高密度（单柜峰值达25.7Teraflop/s）、低功耗（是国内最绿色的超级计算机，每瓦能耗实测性能4.98亿次）、低成本（遵循SSI标准设计，可实现专用计算机关键部件通用化和产业化）等鲜明特性。
此外，大家知道，“星云”只是曙光6000超级计算机的一部分，随着曙光6000超级计算机全面建成，中国有望在未来获得全球HPC TOP500榜单的冠军宝座。美国科学家Jack Dongarra表示：“在2010年底前，中国将完全超过欧洲前沿国家的科技计算能力，并拥有一个位居全球HPC TOP500榜榜首的系统，对此大家不必感到讶异。”
全球HPC TOP500榜美国“一枝独秀”
高性能计算机及超级计算机领域的竞争早已成为一个国家综合实力的竞争，据最新的全球HPC TOP500排行榜显示，美国依然是世界制造超级计算机的“基地”，也是拥有超级计算机最多的国家。在最新的TOP500排行榜中美国有282台HPC上榜，而在去年11月公布的TOP500排行榜中，美国的HPC数量为277台，这显示了美国强大的经济和科技实力，以及美国科学家对前沿科技研究永不松懈的精神。在最新的HPC TOP500榜前10名中，美国就占了7席，中国占2席，排名第5的JUGENE虽然位于德国，但也出自IBM之手。
其中，全球第一的Jaguar（美洲豹）位于美国橡树岭国家实验室，它一度被IBM的“走鹃（Roadrunner）”超级计算机压制，随着去年底Cray工程师在原先84个机柜的基础上又增加了200个机柜，每个机柜支持192个独立的AMD皓龙处理器，总处理器核心数超过20万个。在去年底Jaguar超级计算机的实测运算性能就达到最高1.64 Petaflop/s，成为全球运算能力最快的HPC，而其最新的1.759 Petaflop/s的计算性能，后续HPC要想超越它并非易事。
欧洲国家的HPC水准依然不容忽视，并且其应用水平很高。德国拥有的世界排名第5的JUGENE，装有29.5万个处理器，分布于72个盒子内，运算能力相当于50000台家用电脑，该机位于德国利希研究中心，由德国政府资助，主要从事能源、信息、物质结构、生命和环境科学研究。其最新的研究成果是，通过新开发的一套模拟软件，提高了多处理器共同工作的效率，成功模拟了42位量子计算机。量子计算机是计算机未来发展的方向之一，目前有多个国家的科学家正在就制造量子计算机可以使用的材料、量子计算机的工作特性等进行基础性研究。传统计算机增加10%的晶体管数量，其性能只能线性增加10%，而量子计算机的计算能力理论上可数倍增长。
除了国人关注的“星云”和“天河一号”外，在最新TOP500排行榜上靠前的国内HPC还有位于第19位的Mole-8.5、排第24位的曙光5000A等。而在大家关注的其他主要国家的HPC排位方面，俄罗斯的Lomonosov排名第13位、韩国的TachyonⅡ（快子二代）排名第15位、法国的Jade排名第18位、日本富士通研究的超级计算机排名第22位、沙特阿拉伯的Shaheen排名第23位、瑞士的Monte Rosa排名第27位、加拿大的GPC排名第28位、印度最快的计算机EKA排名第33位（其实测Linpack值为132.8Teraflop/s）。中国共有24套HPC入榜，德国24套、法国29套、日本18套、印度5套，中国在高性能计算方面仅次于美国、法国、德国，世界排名第四、亚洲排名第一，这基本代表了各国的国力及对前沿科技的关注度。当然，随着一些前沿国家的新HPC随后面世，未来其排名将有望提升。
从最新的排名来看，要进入全球HPC前10强，Linpack运算能力不能低于500 Teraflop/s；而要进入全球HPC前20强，Linpack运算能力不能低于200Teraflop/s；要进入全球HPC前50强，Linpack运算能力不能低于100Teraflop/s；要进入全球HPC前100强，Linpack运算能力不能低于50 Teraflop/s；要进入全球HPC前500强，Linpack运算能力不能低于25 Teraflop/s，因为排名第477至第500位的超级计算机的Linpack运算能力皆为24.67 Teraflop/s，这是目前进入HPC TOP500排行榜的门槛。
HPC强者恒强
HPC（高性能计算）是计算机科学发展的一个重要分支，其竞争日趋激烈。要想在HPC领域称雄一方，在制造工艺、功耗与冷却、内部互连、外部互连、外部存储系统、软件和应用、多层次并行等技术方面需要全面提升实力才行。从最新的全球HPC TOP500排行榜来看，HP和IBM制造的机型仍占据了绝大部分市场份额，而Cray、Sun、曙光等厂商的实力也不容忽视，强者恒强的法则在该领域仍将长存。
而从最新的HPC TOP500排行榜中HPC所采用的处理器来看，有425套系统采用了四核处理器，英特尔的四核处理器仍是高端处理器市场上的绝对主力，有408套HPC是完全基于英特尔处理器所构建的，但在前20强中，AMD的皓龙处理器仍维持了近一半的占有量，至少表明了AMD在高端处理器性能方面并不输于英特尔，如排名第一和第三的HPC都采用了AMD处理器。
在占总数85%的采用四核处理器的HPC系统中，英特尔2009年发布的至强5500仍是主力军，它被180套HPC系统所采用。已有5%的系统（25套）使用了六核或更多核心的处理器，如英特尔在今年3月刚推出的至强5600系列处理器已被7套新HPC系统所采用，新的至强5600在计算性能上相比至强5500有60%的提升，而与英特尔2006年发布的单核产品相比性能提升则高达15倍。这也表明新一轮的处理器换代浪潮目前还没有到来，新一代Westmere-EP及Nehalem-EX、Opteron 6100系列、Power7处理器的威力在HPC领域尚未显现出来。这也让未来两届的全球HPC TOP500排行榜充满了变数和期待。
除此外，随着“星云”的诞生，再次展示了异构系统和GPGPU的强大，“星云”的计算节点的处理器采用英特尔六核至强X5650处理器，而协处理器则采用了NVIDIA的Tesla C2050 GPU，C2050 GPU最高可支持3GB板载GDDR5显存，最高可达到520GFlops运算能力，并且在相同的性能下，Tesla 20系列图形处理器的成本和功耗分别是基于CPU的传统并行处理器产品的十分之一和十二分之一。此外，Tesla 20系列还可支持一系列新程序，可大幅度提高光线追踪、3D云计算、视频编码、数据库搜索、数据分析、电脑辅助工程、病毒扫描等GPU运算性能。这是NVIDIA推崇的新一代CUDA架构——Fermi（费米）首度杀入全球HPC TOP500榜前10强，并且在性能和效能上领先于采用AMD系统的“天河一号”，这对NVIDIA来说是巨大的鼓舞，对HPC用户及异构系统的发展走向都会起到很大的示范作用。
编后：毫无疑问，在本届全球HPC TOP500排行榜中最耀眼的系统当数“星云”，在过去的高性能计算机领域，中国一直依赖于从国外花巨资进口设备，并不得不接受被实时监督的苛刻条件。曙光5000A、“天河一号”、“星云”等一系列国产高性能计算机的研制成功，表明了中国在HPC领域获得多方突破，为国家前沿科技的发展提供了必需的基石。而从整个TOP500排行榜来看，英特尔、IBM、HP等厂商的强势地位仍将长存，以美、德、法、中、日、韩为代表的前沿国家对高性能计算的关注度正持续高涨，HPC不仅是综合国力的竞争，而且也已成为各国未来科技发展的保障。HPC已在科技、经济和社会发展中发挥巨大作用，并有力推动国内多个行业向科技化、工业化、现代化转型。