在ISC 2015大會上發(fā)布的第45期全球超級計算機(jī)TOP500排名中，由中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)（簡稱國防科大）研制，部署于中國廣州超算中心的天河二號再次榮登榜首，連續(xù)第5次成為TOP500冠軍。

但是，這次排名第一相比以往卻讓人心里很不踏實，因為4月9日，美國商務(wù)部以“違反”美國國家安全或外交政策利益的活動為由，拒絕英特爾公司向中國的國家超級計算廣州中心出售至強芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)四家國家超算中心被列入出口管制名單。

美國的禁令阻止了天河二號的升級計劃，雖然天河二號現(xiàn)在蟬聯(lián)了第一，但是前景卻讓人生疑。天河未來還能保持世界第一嗎？這得從頭說起。

一、超級計算機(jī)的由來

其實，計算機(jī)最早就是從超級計算機(jī)開始的，無論是第一臺機(jī)械計算機(jī)(英國巴貝奇爵士設(shè)計，未最終完成)，還是第一臺電子計算機(jī)Eniac，都是做科學(xué)計算和軍事用途用的。

計算機(jī)性能的擴(kuò)展有兩條道路，一條的不斷改進(jìn)制造工藝，提升芯片設(shè)計水平，把單個芯片設(shè)計的很強悍，提升性能。還有一條道路是盡可能用比較多的機(jī)器并行，用多個機(jī)器一起運算來提升性能。

早期，超級計算機(jī)都是昂貴的高級貨，處理器是專門設(shè)計的，芯片組是配套的，甚至每根連接線都是定制的，成本極高。

而隨著PC和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)追求強大的計算能力可以不那么昂貴。于是，人們開始嘗試用大批量生產(chǎn)的PC或者工作站來攢超級計算機(jī)。

若干臺PC或者工作站通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，把任務(wù)分給這些機(jī)器并行，然后返回，計算能力絲毫不弱于昂貴的專用超級計算機(jī)，于是傳統(tǒng)的超級計算機(jī)開始沒落。

這個時代出現(xiàn)了很多平民化的超級計算機(jī)，譬如用浩鑫HTPC準(zhǔn)系統(tǒng)湊起來的超級計算機(jī)，把一個學(xué)校的MAC電腦湊起來的超級計算機(jī)等等，這些看似玩具的東西居然一度占據(jù)了TOP500超級計算機(jī)排行榜，甚至谷歌自己用的服務(wù)器也是用這種辦法攢出來的。

而在這個過程中，人們發(fā)現(xiàn)，限制超級計算機(jī)能力居然是功耗，人們不能堆積太多的數(shù)量是因為功率和發(fā)熱限制，性能功耗比甚至比性能本身更重要。

于是，IBM開發(fā)出藍(lán)色基因，不追求單個核心的高性能，而是降低功耗，攢更多的數(shù)量來提升性能。但是因為單獨開發(fā)這種處理器在批量和成本上無法與通用的PC處理器相比，并沒有流行開。

二、從CPU到協(xié)處理器

索尼為了提升PS3游戲機(jī)的性能，聯(lián)合IBM搞了Cell處理器，這是異構(gòu)計算的開始。因為在計算任務(wù)中，有些任務(wù)是簡單的，不需要復(fù)雜的邏輯處理，只需要足夠的計算單元暴力計算，這樣處理器就可以設(shè)計成兩部分，一個簡單的運算核心，幾個強大的簡單計算單元，這就是Cell的思路。

（IBM九核心Cell刀片服務(wù)器）

因為這種計算編程難度太高，所以Cell用在游戲機(jī)上并不成功，但是這個思路可以拿到電腦上，這就是我們熟悉GPU通用計算。

因為3D的需求，顯卡有強大的計算能力，這種能力只用于3D游戲浪費了，于是在Cell之后就有了GPU的通用計算，CPU處理復(fù)雜任務(wù)，GPU處理暴力計算，nVIDIA甚至搞出來CUDA專門解決這個問題，而且在GPU的設(shè)計上就為通用計算做了優(yōu)化。

單臺計算機(jī)異構(gòu)化，獲得強大的計算能力，那么就可以把這些單臺計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，組成計算能力強大的異構(gòu)超級計算機(jī)。

于是中國在2009年搞出來天河一號超級計算機(jī)，就是CPU和GPU異構(gòu)組成的超級計算機(jī)，一度排名世界第一。百度搞人工智能的計算機(jī)也是這種異構(gòu)的超級計算機(jī)。

（天河一號超級計算機(jī)）

如果以后超級計算機(jī)全部異構(gòu)化，那么CPU提供的計算能力只占一小部分，這無疑代表了nVIDIA和AMD要搶Intel的飯碗，Intel當(dāng)然不能坐以待斃。

于是Intel開始自己做異構(gòu)用的芯片，這就是Larrabee計劃，其實GPU本來就是一個個小的計算核心，然后組合起來。而Intel手里是有小核心的，這就是當(dāng)年的奔騰一代處理器核心P54C。

Intel把這款20年的老核心集成起來做成眾核，做成協(xié)處理器，可以做3D顯卡，也可以做超級計算機(jī)的協(xié)處理器。這個項目初期失敗了。但是，Intel在這個基礎(chǔ)上發(fā)展出來了“眾核架構(gòu)”(MIC)的Xeon Phi協(xié)處理器。并且獲得了天河二號號（目前世界第一超級計算機(jī)）的選用。

而協(xié)處理器的能力取決于單個小核心的計算能力，P54C這個20年前的核心弱爆了。而Silvermont作為Intel反擊移動市場的利器，性能功耗比非常出色。于是，Intel把這個小核心攢起來做成眾核的Xeon Phi，這就是Knights Landing，也就是目前被禁售的處理器。

三、天河的后著

面對美國的禁售，天河有幾個選擇，一個是通過其他途徑購買，因為Xeon Phi作為Intel上貨架的產(chǎn)品，即使對中國全面禁售，世界這么大，中國通過轉(zhuǎn)口貿(mào)易進(jìn)口也毫無問題。這個辦法是權(quán)宜之計，明顯和美國政府對著干的渠道肯定會越來越少。

還有一個選擇是放棄編程上的便利，轉(zhuǎn)回到nVIDIA或者AMD的產(chǎn)品，這個辦法會增加編程的難度，而且nVIDIA和AMD也受美國政府管，一旦發(fā)一個新禁令還是解決不了問題。

最難的道路是自力更生，自己研發(fā)協(xié)處理器，這個需要大量的資金和人才，自己從頭做起要從硬件到軟件，從設(shè)計到制造全包，成本極高而且能否成功很難說。

而天河恰恰走的就是第三條道路，天河二號系統(tǒng)主任設(shè)計師、國防科大教授盧宇彤在ISC 2015大會上以英文做主題講演，詳細(xì)介紹了中國主要的超算應(yīng)用在天河二號上的實踐，我們在講演中驚異的看到了“China Accelerator”。

“China Accelerator”就是國防科大給出的方案，這個通用DSP（GPDSP）被命名為Matrix2000。

Matrix2000設(shè)計規(guī)格為16核設(shè)計，可達(dá)到2.4T的浮點性能，雖然還比不上Knight Landing的3T，但對于白手起家的中國來說，已經(jīng)相當(dāng)不易，而且功耗比現(xiàn)有的Xeon Phi少了100W。

Matrix2000采用了標(biāo)量與向量單元+超長指令字（VLIW）的架構(gòu)。這個東西和現(xiàn)在Intel的移動核心堆砌不同，完全是追求性能的架構(gòu)，而不考慮兼容性問題。

其實，Intel當(dāng)年曾經(jīng)搞過VLIW的安騰，但是因為兼容性問題失敗了，沒有兼容性的性能賣不出去。而國防科技大不需要把這個芯片商用化，也就不用考慮賣不出去的問題。

但是全新架構(gòu)代價巨大，國防科技大要針對全新的Matrix2000準(zhǔn)備的軟件堆棧，包括GPDPS驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)學(xué)庫等，工作量非常巨大。但是一旦成功，這個GPDSP就可以自我發(fā)展，打造出來真正的中國超級計算機(jī)。

在CPU方面，中國也留有后手，其實單純比較性能，中國已經(jīng)有了頂級的CPU。

中國早在1999年就買到 Compaq公司的Alpha處理器的授權(quán)。Alpha處理器一款技術(shù)成功，商業(yè)失敗的處理器，其性能遠(yuǎn)超越同時代的X86處理器，但是商業(yè)上卻失敗，其研發(fā)人員后來去了Intel和AMD，AMD公司的K7所使用的EV6總線技術(shù)，Intel的超線程技術(shù)，都是Alpha處理器的遺產(chǎn)。

中國買下Alpha的授權(quán)以后，逐漸發(fā)展出來了神威系列。2012年9月16日安裝在山東省的國家超級計算濟(jì)南中心就是使用神威1600處理器。

在技術(shù)指標(biāo)上，16核心的神威1600在1.1ghz的時候，雙精度浮點運算能力是140.8G，i7 980xe 6核心在3.2ghz，雙精度浮點是107.55G。i7的功耗是130W，神威1600的功耗是70W。神威在性能功耗比上已經(jīng)超越了當(dāng)時的Intel。

這就是說，美國繼續(xù)加強禁售，禁止出售Intel的至強CPU，那么中國完全可以用神威系列CPU加上國防科技大的Matrix2000打造出完全自主的超級計算機(jī)。

雖然編程上麻煩一些，通用性上差一些，但是用于國防上，專業(yè)用途毫無問題。

美國禁售，最后反而可能逼迫出中國芯片的爆發(fā)，用毛主席的話說，應(yīng)該給美國國務(wù)院發(fā)一枚一噸重的勛章。

四、工藝軟肋也在彌補

在設(shè)計上，中國已經(jīng)可以向頂峰攀登，但是在制造上，中國芯片行業(yè)還不行，Intel的10nm已經(jīng)在路上，中芯國際的28nm才量產(chǎn)。

（中芯國際的28nm）

不過，近期在中芯國際，華為，高通與比利時的一家研究機(jī)構(gòu)合作，已經(jīng)開始了16nm工藝的探索，中國的芯片制造工藝距離世界先進(jìn)水平也越來越近。

看看三星和臺積電，這兩年距離Intel的距離就近了很多，無非是智能手機(jī)火爆，PC停滯，需求拉動技術(shù)進(jìn)步而已。

而中國制造需要大量芯片，可以形成良好的商業(yè)循環(huán)，進(jìn)一步提升工藝與設(shè)計能力，幾個輪次下來，追上甚至趕超美國并不是天方夜譚。

美國的禁售對于中國來說可能是壞事，但是站在歷史的角度往前看，美國商務(wù)部在試圖阻礙中國超算技術(shù)的同時給自己挖了一個大坑?？梢哉f，正是在美國的禁售下，中國才不得不加快自主研發(fā)的腳步，將自身掌握的技術(shù)投入實用，形成商業(yè)化循環(huán)，不斷進(jìn)步。以中國當(dāng)下龐大的體量和需求，中國芯片行業(yè)的進(jìn)步速度很有可能超過美國，最終替代美國成為芯片行業(yè)的霸主。

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