美国E级超算系统A21已见雏形

2月10号最新出版的Science杂志发表文章首次披露了美国E级超级计算机A21系统的研制计划

在霸占世界超级计算机TOP500排行榜几十年以后，近几年美国都一直在追赶中国。美国橡树岭国家实验室正着力研制性能达200 PFlops的Summit超级计算机，有望在今年夏天投入使用，并夺回TOP500榜单冠军宝座。同时，阿贡国家实验室计划提早两年即在2021年完成美国首台E级超级计算机A21的建设。各国间攻占E级超算系统的竞争十分激烈，除了美国，中国、日本和欧盟也争相投入，加快发展，争夺超算领域的下一个重要的王冠。

1957年，前苏联成功发射人类首颗人造地球卫星Sputnik，开启了美国和苏联长达二十年的太空竞赛。今天，美国超算的科研人员也面临相同的科技竞争，只不过这次的对手是中国。在霸占世界超级计算机TOP500榜单几十年之后，现在美国在榜单上的成绩远远落后于中国。中国排名前两位的超级计算机的计算能力之和，比美国能源部（DOE）运营的21台超算系统的计算能力总和还要高。

但现在，美国超算研究人员正在奋起直追。美国橡树岭国家实验室基本完成了超级计算机Summit的研制。该系统有望在今年夏天全面投入使用，计算性能将达到200 PFlops，是目前排名第一神威太湖之光超级计算机的两倍。更让人期待的是，本周，E级计算计划（Exascale Computing Project，ECP）第二届年会在诺克斯维尔召开，首次详细介绍了下一代美国超级计算机A21的设计方案，它将于2021年在阿贡国家实验室研制成功。该计算机是第一台1000 PFlops（即1 EFLOPS或exascale）超级计算机，有望提前两年实现E级计划。

这台命名为“A21”的超算系统将由Intel和Cray公司联合研制，预计将极大增强科学研究领域中的模拟能力，大到星系形成与演化研究，小到燃烧中气体湍流模拟等。“有了E级超算系统，我们可以进行更多的物理模拟实验”，新泽西普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家Choong-Seock Chang说，他计划使用A21来进行聚变反应堆内的等离子体物理模拟。

根据以下的发展趋势图，中国和日本仍有可能首先达到E级系统的研制目标。但是即使中国、日本按计划完成，超级计算机A21也可以防止美国被他们甩得太远。美国能源部去年秋季转变了发展战略，加快了发展步伐。最初，该机构计划采用“双车道”的路线来实现E级发展之路，解决E级超算系统能耗极大等挑战。E级超算系统的耗电可能与一个小型核电站的发电量相当。

此前，美国能源部同时资助两台超级计算机的研发，作为未来E级系统研发的跳板。两台机器分别采取不同的方法来降低能耗。Summit的制造商IBM和NVIDIA专注于将CPU与GPU结合在一起，提高复杂视觉仿真等计算的速度和效率。另一方面，Intel和Cray则致力于增加并行的CPU核数，并实现它们之间的快速互连，原计划是研制性能达到180 PFlops，名为Aurora的另一台超级计算机。

2015年，美国能源部预计Aurora将在今年完成，第一台美国E级超算系统将在2023年落地。随后中国宣布了第十三个五年计划，阐明了2020年底之前实现E级系统的目标。如果那样的话，美国不仅仅会落后, 而且会越落越远。

现在美国能源部、国家核安全局、制造商都面临E级计算机研发的巨大压力。能源部决定跳过Aurora，直接开始性能是Aurora五倍的A21的研制。虽然发布时间推迟到2021年，但由于A21是美国第一台E级超算系统，这意味着美国将比原计划提前两年实现E级目标。

有人认为跳过Aurora这个过渡的机器直接研制A21有点冒险，但也有人认为没有Aurora，也完全可以成功研发E级超算系统。

目前A21的架构细节仍然严格保密。即使是A21的软件工程师，也要在签署了保密协议后，才能参加介绍机器架构的研讨会议，包括本周的E级计算计划第二届年会。

研究人员说，A21的架构与以往的机器完全不同。其架构设计将着重降低处理器之间的长距离数据传输的需求，从而降低系统能耗。新机器功耗大约为25至30兆瓦，仅仅是Summit的两倍左右。当被问到Intel是否会推出新型处理器结构时，Chang说他完全相信Intel会这么做。

资金问题是另一个严峻的挑战。美国国会还没有通过2018年财政预算，而一系列临时决议的预算仅维持与上年度支出持平，暂时未批准对研制A21机器等新项目提供资金支持。田纳西大学的超算专家Jack Dongarra说，短期来说，资金还不会成为障碍，因为美国能源部的E级计算计划仍然有足够资金支持相关研究。但是根据Hyperion Research的最新报告，A21计算芯片的研制将马上启动，耗资约3到6亿美元。劳伦斯伯克利国家实验室的Horst Simon说，“资金能否在2021年到位？目前还不清楚。”

从2013年起，中国一直维持着世界最快超级计算机的地位。今年，美国将很有可能凭借Summit重夺世界第一。中国计划2020年制造出第一台E级计算机。

中国E级计算机将动摇Summit世界第一地位

2013年6月，国家超级计算广州中心的“天河二号”夺冠，使美国在超级计算机排行榜上失去了世界第一的位置。今年夏天，橡树岭国家实验室的Summit将成为世界上最快的超级计算机，有望使美国重新夺回超级计算机TOP500排行榜冠军位置。

中国国家高性能计算专家组组长钱德沛教授评论，“我们当然希望可以长期拥有世界第一的机器，但所有人都明白，没有一个国家能永远占据第一。”

在全球超级计算机的研制竞赛中，各国一直交替前进。中国在E级计算机研制成功后，有可能重返世界第一的宝座。在国家十三五计划的支持下，中国预计将在2020年底发布第一台E级计算机，将比美国计划2021年发布的A21提早一年。而拥有“K”超级计算机的日本也在研制E级计算机，发布时间可能在2021或2022年。Hyperion Research最新的报告中显示，欧盟可能在2021年也进入E级计算行列。

超级计算的国际竞争并不止步于E级计算机的研发。Jack Dongarra介绍道“各国都在争相加速超算科学与技术的发展，一旦取得一项技术的突破，就马上投入到下一项的研究中。”中国、美国、日本、欧盟都在科研学科、国防技术、工业技术和计算机产品等广泛领域不断投入，加快发展，以期推动技术进步，科学发展，有效增强综合国力的提升。

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