超級計算機（Supercomputer），是指在當時的生產工藝條件下，採用最先進的技術、工藝設計生產出來的功能最強、運算速度最快、存儲容量最大、面向科學與工程的最高檔次的電子計算機系統[1]。

世界上誰最早提出了超級計算機的概念已經無法考證，但是第一個從真正意義上研發出符合超級計算機定義產品的人是西蒙·克雷（Seymour R. Cray），他研製的以Cray-1億次超級計算機為代表的“克雷”系列是當時世界最快的超級計算機，引領國際超級計算機發展潮流數十年。他無可爭議地被人們尊稱為“世界超級計算機之父”[2]。

西蒙·克雷（Seymour R. Cray, 1925-1996）

超級計算機多用於國家高科技領域和尖端技術研究，是一個國家科研實力的體現，對國家安全、經濟和社會發展具有舉足輕重的意義，是國家科技發展水平和綜合國力的重要標誌。

1. 超算TOP500“你追我趕”

對全球商用超級計算機進行“排座次”的知名排行榜——TOP500榜單[3]由ISC集團（ISC Group）於1993年6月起開始發佈，每半年更新一次（每年6月和11月發佈最新榜單）。

2010年11月，中國“天河一號”曾登上榜首，但隨後（2011年6月）被日本超越。

2013年6月，中國“天河二號”逆襲，從美國“泰坦”（Titan）手中奪得榜首位置，並開啟了3年“六連冠”的霸屏模式。直至2016年6月被中國“神威⋅太湖之光”取代，後者達成2年“四連冠”。

神威⋅太湖之光

2018年6月，美國“頂點”（Summit）超越中國“神威⋅太湖之光”，讓美國重回TOP500榜首。“神威⋅太湖之光”和“天河二號”分列二、四，第三為美國“山脊”（Sierra）。

頂點（Simmit）

“頂點”有9216箇中央處理器（CPU）芯片和27648個圖形處理單元(GPUs)[4]。“頂點”一秒鐘的計算水平相當於地球上所有人每人每秒計算一次並連續計算305天。

GPU是超級計算機執行高水平運算的主力。CPU由幾個具有高速緩存內存的核心組成，一次只能處理幾個操作；而GPU可以同時處理許多操作，並且可以在大量數據上快速執行同樣的操作。與CPU相比，GPU能夠加快處理速度，同時提高電源效率[5]。

2018年11月，美國“頂點”蟬聯榜首，並且擴大了領先優勢，其最大運算速度從122.3千萬億次浮點運算每秒（PFLOPS）增加到143.5 PFLOPS；同時，“山脊”以94.64 PFLOPS的最大運算速度超越“神威⋅太湖之光”的93.014 PFLOPS，升至第二。

值得注意的是，“頂點”和“山脊”使用的都是IBM Power 9處理器及NVIDIA Tesla GV100加速卡。

2019年6月17日公佈的最新榜單中，美國“頂點”繼續蟬聯榜首。第二至第四排名不變。美國“遠山”（Frontera）新上榜即攀升至第五。

2019年6月TOP500榜單前十[3]

儘管現在世界上最快的兩臺超級計算機在美國，但中國在TOP500榜單中仍擁有數量最多的超級計算機。

在2019年6月的榜單中，中國超級計算機數量（219臺）與2018年11月（227臺）相比略有下降，但仍佔據第一（44%）；美國則上升至116臺，佔23％。總運算能力上，美國佔比仍高於中國，表明美國超級計算機具備更強的平均運算能力。

TOP500榜單中其他國家佔有數：日本29臺（第三），其次是法國19臺，英國18臺，德國14臺[3]。

TOP500的主要供應商是聯想（173）、浪潮（71）、曙光（63）、Cray（42）、HPE（40）、Bull（21）、Dell EMC（17）、富士通（14）、IBM（20）和華為（7）。需要說明的是，聯想所佔份額較大與之前收購IBM X86服務器業務有關；HPE則於今年5月宣佈收購Cray。

2. Green500榜單

Green500榜單與TOP500相同，每年更新兩次，旨在評選最節能的超級計算機系統。

2019年6月Green500榜單前十[3]

由此看來，儘管中國超級計算機在運算速度上已居世界前列，但在能耗方面，與日本、美國相比，差距明顯。

如何在降低能耗的基礎上進一步提高運算速度，將是中國乃至世界計算機科學家面臨的難題。

3 E級超級計算機

E級超級計算機是指每秒可進行百億億次運算的超級計算機，被世界公認為超級計算機界的“下一頂皇冠”。

截至2018年底，中國已經有三套E級超級計算機原型機系統完成交付，分別為：神威E級原型機系統、“天河三號”E級原型機系統和曙光E級原型機系統。

2018年7月22日，“天河三號”E級原型機系統已在國家超級計算天津中心完成研製部署

美國方面，2019年5月7日，美國能源部宣佈，將斥資6億美元授權美國Cray和AMD研製代號“前沿”（Frontier）的E級超級計算機。其浮點運算速度可達每秒150億億次，預計2021年交付。

4. 未來可期

國際競爭中的科技競爭是首當其衝的。中國的超級計算機研發和應用已處於世界前列，但我們不能放鬆警惕，繼續降低能耗和提高運算速度是永恆的主題。

同時，在當前的時代背景下，如何儘快建立超級計算機關鍵技術自主知識產權體系、實現關鍵零部件完全國產化尤為重要，包括處理器、光電子元件、3D內存、新型存儲設備、應用軟件等。

中國超級計算機在不到20年的時間裡，在TOP500中的數量從2001年的0提高到2019年的219臺，發展速度令世人矚目，實力不容小覷。

中國超算，未來可期。

✎改編丨張楠

☟ 參考文獻

[1] 司宏偉, 馮立昇. 世界超級計算機之父：西蒙•克雷[J]. 自然辯證法通訊. 2018;40(7):127–133.

[2] About Seymour Cray. https://www.computer.org/volunteering/awards/cray/about-cray.

[3] TOP500.org. https://www.top500.org/.

[4] Teich P. Inside the Summit supercomputer. 2018 Jun 9. https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1333374#.

[5] Krewel K. What’s the difference between a CPU and a GPU? 2009 Dec 16. https://blogs.nvidia.com/blog/2009/12/16/whats-the-difference-between-a-cpu-and-a-gpu/.

☟ 改編原文
Jane Palmer.More Super Supercomputers[J].Engineering,2019,5(3):357-358.

《Engineering》是中國工程院院刊，創刊於2015年，致力於向世界範圍內的工程科技學者傳播理論與實踐前沿。