第37届全球HPC TOP500榜“出炉” 日本K超级计算机独领风骚
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6月20日，第37届全球HPC（高性能计算机）TOP500排行榜在德国汉堡召开的超级计算大会上公布。由于HPC的应用从某种程度上代表了一个国家的计算机研发和应用的最高水平，因此每次全球HPC TOP500榜单的发布都会赢得大量的关注，大家最关注的是排名第一的“世界上运行最快的”计算机系统。人们从中不但可以了解高性能计算领域的最新技术和发展趋势，还可以据此预测未来高性能计算产业的走向。
解读第37届HPC TOP500榜单
全球超级计算机TOP500榜单，是由Hans Meuer和Erich Strohmaier 两位教授于1993年在德国曼海姆大学创建的，它是全世界最权威的超级计算机排名榜单，每年的6月和11月各发布一次。国际超级计算机组织评选超级计算机时使用的标准工具被称为“线性系统软件包”（LinPack），以每秒进行的实测运算次数或浮点运算次数作为检测的标准。虽然并非所有人都认为这是对比超级计算机性能的最佳办法，但它是目前应用最广泛的对比方法。
在2011年全球超级计算机前10强名单中，美国的超级计算机系统有5个、中国和日本各2个、法国1个，不过此次“状元”的位置被替换，此次一台日本超级计算机K取得了HPC TOP500排行榜第一的位置，结束了中国的超级计算机保持的6个月排名第一的位置。日本K超级计算机的LinPack实测运算次数为8.16 PetaFlops（每秒千万亿次），比接下来的五台超级计算机加在一起的性能还要强大。排在第二位的是上届冠军，来自中国的“天河一号A”，其运算峰值达到了4.7 PetaFlops，LinPack实测运算值为2.56PetaFlops，目前该电脑用于执行石油勘探及飞机模拟等计算任务。而美国能源部的美洲虎（Jaguar）排名则下滑到第三位，Jaguar的LinPack实测运算值达到1.76 PetaFlops，与第一位的差距越来越明显。排在第四位的是来自中国的星云（Nebula）超级计算机，LinPack实测值达到每秒1.27 PetaFlops，它曾在第35届全球超级计算机500强排行榜中名列第二。第五位则是日本东京工业大学推出的TSUBAME 2.0超级计算机，其LinPack实测值达1.19PetaFlops。排在第六位至第十位的超级计算系统分别是：美国的Cielo、美国的Pleiades、美国的Hopper、法国的Tera-100及美国的Roadrunner（走鹃）。
此次排行榜的一大特点是，排名前10位的超级计算机系统LinPack实测运算速度都超过每秒千万亿次，新旧HPC之间的差距正在快速扩大。登上本届HPC TOP500榜单的性能计算机的性能门槛上升到40.1TFlops（每秒万亿次），而半年前为31.1TFlops。今年的第500名半年前可以排到第262名，升级速度明显加快。进入500强的HPC的合计性能升至58.88PetaFlops，而半年前为43.7PetaFlops，一年前为32.4PetaFlops。这意味着未来HPC TOP 500排行榜前10位的计算机系统被淘汰的速度会越来越快，比如2008年第一台LinPack实测值突破每秒千万亿次的超级计算机“走鹃”，现在已经掉到了第十位。
日本K超级计算机有多牛
日本的K超级计算机由日本富士通研发，目前落户于日本理化研究所。K超级计算机此次夺冠，也是日本的超级计算机时隔7年之后重返全球HPC排行榜第一。K超级计算机源于一个有日本政府背景的“通用京速（每秒万万亿次）计算机”研发项目。在2006年，日本政府综合科学技术会议依据科学技术基本计划，将“通用京速计算机”研发项目指定为国家主要基础技术之一，并以理化研究所的下一代超级计算机开发实施总部为中心开始研发工作。同年日本政府对该项目拨款12亿美元，由NEC、日立及富士通三家共同开发一种纯量和适量混合、浮点性能可达10PetaFlops的超级计算机。不过2008年爆发的全球性金融危机严重影响了NEC和日立的财政状况，迫使这两家公司不得不在2009年从该项目中脱离出来，最后K超级计算机由富士通独立完成。
“K”来自日文中的“每秒万万亿次”一词，也是富士通希望超级计算机达到的运算次数。K超级计算机配置68544个SPARC64 VⅢfx CPU（中央处理器），每个CPU集成有8个内核，内核总数为548352个，由672个电脑机柜组成，LinPack实测运算值为8.16PetaFlops，是位居第二位的超级计算机“天河一号A”运算速度的3倍多。与其他最近研发的超级计算机不同，K超级计算机没有使用图形芯片等加速处理器。K的能耗很高，但它也是榜单上效能比最高的超级计算机系统。
需要说明的是，K超级计算机目前仅是半成品，2012年11月份才能完全制造成功，届时K超级计算机将配置80000个SPARC64 VⅢfx CPU，运算能力将超过10PetaFlops。富士通宣称，大约有1000位工程师曾投身于K超级计算机的硬件和软件等方方面面的工作，这些硬件和软件全部都是由富士通自主研发的。富士通宣称K超级计算机将用于全球气候、气象、灾害预防和医学等领域的研究。
HPC TOP500榜，谁家领风骚
俗话说：外行人看热闹，内行人看门道。通过TOP500排行榜，可以看到一个国家在一定时期内高性能计算机的生产数量和应用情况，而正是这些反映了一个国家关于高性能计算机的研制水平，也反映了一个国家的科学技术水平和经济实力。今年虽然亚洲国家队实力继续增加，欧美国家队HPC入围数量在减少，但科技大国美国仍然是高性能计算系统最大的产出国。在全球HPC 500强榜单上，美国入围的超级计算机数量虽然从去年的274个减少到256个，但仍遥遥领先于其他所有国家。虽然中国在这届TOP 500排行榜中失去了状元的位置，但进入排行榜的超级计算机的数量有了明显的增加，包括LinPack实测运算速度达到2.56PetaFlops的“天河一号A”和排名第四的“星云”在内，中国进入排行榜的超级计算机系统已达62台，比上一届增加了21台，在全球仅次于美国，这也表明中国在全球最快超级计算机中所占的份额越来越大。随后是德国、英国、日本和法国，这几个国家拥有的超级计算机数量分别为30台、27台、26台和25台。
在全球超级计算机500强名单中，有75台超级计算机被用于科学研究，占比为15%；被应用于金融、服务、万维网和国防的超级计算机数量依次为36台、33台、23台和20台。从厂商角度来说，IBM仍然是制造全球500强超级计算机数量最多的厂商，共有213台，大约有42%的超级计算机是由它研发和制造的，然后是惠普和Cray，它们的份额分别为31%和6%。按芯片分，英特尔处理器继续占据统治地位，出现在了387台超级计算机中，份额为77.4%。其中32nm Westmere架构的Xeon 5600系列处理器被用于169台超级计算机，而去年还只有56台。从系统处理内核数量来看，采用六核以上处理器已渐成主流：这次四核处理器份额为46.2%，而有42.4%的系统使用了六核甚至更多核心的处理器，今年的全球超级计算机500强平均拥有15550个处理器核心，而半年前为13071个，一年前为10267个。
耗巨资研发HPC的意义
人们为什么需要功能如此强大的超级计算机？世界各国为什么争先恐后地研制更快的超级计算机？这其实是与超级计算机的用处息息相关的。随着社会的发展，人类对计算能力的渴求与日俱增，在石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报、新材料开发和设计、基础科学理论计算等方面都需要具有强大计算能力的超级计算机来解决一些难题。另外，在现代军机研究制造领域，超级计算机也有着不可替代的独特作用，如国际上过去研制二代、三代战机普遍要在“风洞”中进行少则一年多则数年的定型试验，但现在依靠超级计算机强大的计算能力和模拟技术，可以进行大量的仿真实验，周期可以缩短到数个月时间。
不过，超级计算机并不像我们平时组装一台电脑那样，将CPU、内存等硬件堆砌起来即可。如果这样的话，任何一个国家将处理器等配件疯狂堆砌好就行了，那么超级计算机排行榜就成了国家富裕程度排行榜，中国也不会夺得上次的第一。从技术层面上来说，超级计算机技术是一个国家科技发展水平和国家综合实力的体现，其中要应用到并行访问档案系统、资料分区、非均匀访存模型、冷却等多种软硬件技术，换句话说超级计算机的核心技术是架构。虽然美国在近两次的全球HPC TOP 500榜单上并没有夺冠，但目前在HPC制造技术方面，无论是“软”实力，还是“硬”实力，还是科技大国美国最强，每年美国都会对企业在超级计算机研制开发方面进行资金上的大力支持。目前美国能源部下属的橡树岭国家实验室计划在2012年推出“泰坦”超级计算机，将超越中国的 “天河一号A”，而IBM计划明年发布Mira超级计算机，运算速度预计为10 PetaFlops（每秒1万万亿次），4倍于“天河一号A”，IBM与美国国家超级计算应用中心共同开发的10 PetaFlops超级计算机“蓝水”也将在明年推出。
结语
在此次的高性能计算TOP榜中，虽然我国的“天河一号A”卫冕失败，但我国入围排行榜的HPC数量有着显著增加，这说明了HPC在中国的应用已经得到了很大的推广和普及。目前我国国防科大已经启动了每秒万万亿次超级计算机技术的研制，有望在5年内问世。我国作为一个发展中国家，信息化建设领域或多或少仍落后于发达国家，但是我们正在加快高性能计算机研制的步伐，缩短我国与其他强国之间的距离。