雷鋒網(wǎng)按：本文為雷鋒網(wǎng)獨(dú)家約稿文章，作者鐵流。文末附有關(guān)申威和超算的相關(guān)文章，可做參考。

（圖來自新華網(wǎng)）

據(jù)新華社6月20日消息，新一期全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單20日公布，使用中國(guó)自主芯片制造的“神威太湖之光”取代“天河2號(hào)”登上榜首。更可貴的是，神威太湖之光與天河2號(hào)使用Intel的CPU不同，神威太湖之光采用了完全自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)眾核芯片——申威26010。而且高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)也是自主研發(fā)。

這不僅徹底實(shí)現(xiàn)了在超算領(lǐng)域徹底扭轉(zhuǎn)在技術(shù)和信息安全上受制于人的局面，還使美國(guó)對(duì)中國(guó)四家超算中心禁售Intel至強(qiáng)PHI計(jì)算卡成為笑柄，再次實(shí)現(xiàn)了“凡是國(guó)外技術(shù)封鎖的，中國(guó)人自己都能做出來”。（可看雷鋒網(wǎng)文章《美國(guó)禁售至強(qiáng)芯片后，中國(guó)超算經(jīng)歷了什么？》）

 | 申威采用自主指令集

神威太湖之光使用了上海高性能集成電路設(shè)計(jì)中心設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)眾核芯片申威26010，該眾核芯片采用28nm制程工藝，主頻1.45G，擁有260個(gè)核心，雙精浮點(diǎn)峰值高達(dá)3.06TFlops，在雙精浮點(diǎn)上完全追平了Intel最好的超算芯片。正是得益于國(guó)產(chǎn)眾核芯片申威26010的強(qiáng)悍性能，加上良好的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等核心部件，使超算擁有異乎尋常性能指標(biāo)。

誠(chéng)然，在介紹申威26010優(yōu)點(diǎn)的時(shí)候，也不能忽略其短板——內(nèi)存僅有136.51G，而且用的還是DDR3，相比之下，Intel的KNL和英偉達(dá)的Tesla都采用3D堆疊內(nèi)存，內(nèi)存帶寬更是達(dá)到512G(Intel PHI) 和 720G（英偉達(dá) Tesla）。因?yàn)閱蝹€(gè)CPU的內(nèi)存帶寬不大，所以對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，很難跑出接近峰值的性能。對(duì)于某些對(duì)內(nèi)存帶寬要求高的應(yīng)用，實(shí)際使用中就不如Tesla和PHI了。

每當(dāng)中國(guó)取得技術(shù)突破之時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上總會(huì)冒出一群“找爹黨”，本次神威太湖之光超算刷榜也不例外——一些人將申威26010與 DEC的Alpha聯(lián)系起來，并將其“認(rèn)爹”。就事論事來說，申威確實(shí)與Alpha有一定淵源，但血緣關(guān)系非常淡薄，和DEC當(dāng)年的Alpha已經(jīng)完全是兩回事了（畢竟DEC被康柏收購(gòu)已經(jīng)快18年了），有人稱之為類Alpha自主指令集，筆者聯(lián)系過申威的科研人員，他明確表示是自主指令集。而本次大會(huì)上，相關(guān)單位明確表示Shenwei-64 Instruction Set (this is NOT related to the DEC Alpha instruction set)。請(qǐng)廣大網(wǎng)友不要給申威找“爹”，何況這個(gè)“爹”已經(jīng)掛了18年了。

| 設(shè)計(jì)理念獨(dú)具一格的申威26010

當(dāng)今超算的計(jì)算節(jié)點(diǎn)要么采用CPU+加速器的方式，要么完全采用相同的CPU。

（圖來自新華網(wǎng)）

采用CPU+加速器的方式，被稱為異構(gòu)計(jì)算。

舉例來說，美國(guó)泰坦和中國(guó)天河2號(hào)為例，泰坦有18688個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)由1個(gè)16核心AMD Opteron 6274處理器和1個(gè)NVIDIA Tesla K20加速器組成，共計(jì)299008個(gè)運(yùn)算核心；天河2號(hào)有16000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI組成，共使用了32000片Intel的E5 2692和48000片Xeon PHI；天河1A使用了14336片Intel Xeon X5670處理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能計(jì)算卡。這些超算的計(jì)算節(jié)點(diǎn)都采用了CPU+加速器的方式，因而都是采用異構(gòu)計(jì)算超算的典型代表。

而完全使用同一塊CPU則被稱為同構(gòu)計(jì)算。

比如，日本超算“京”只采用的處理器是富士通制造的SPARC64 VIIIfx，神威藍(lán)光只采用了8704片申威1600，Mira和Sequoia，就只采用了PowerPC A2處理器，這些都沒有采用GPU或眾核芯片等加速器。日本的京，IBM 的Mira和Sequoia和中國(guó)的神威藍(lán)光都是同構(gòu)超算的代表。

申威26010和神威太湖之光則顯得比較特殊，如果用相同類型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成系統(tǒng)的計(jì)算方式來定義同構(gòu)計(jì)算，那么，由于神威太湖之光只采用了申威26010，也許會(huì)被認(rèn)為是同構(gòu)計(jì)算。但實(shí)際上，神威太湖之光雙精浮點(diǎn)峰值高達(dá)125PFlops，穩(wěn)定性能為93PFlops確實(shí)是采用加速器才取得的高性能——本質(zhì)上，申威26010是將CPU和加速器合二為一——申威26010的260個(gè)核心分為2種，一種是管理核心，發(fā)揮類似CPU的功能，另一種是運(yùn)算核心，發(fā)揮類似加速器的作用，這就使申威26010單芯片能夠完成Intel E5+PHI，或Power+Tesla兩款產(chǎn)品的功能。

而且相對(duì)于Intel E5+PHI，或Power+Tesla，申威26010能夠?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存，這就避免了Intel E5+PHI，或Power+Tesla必須面對(duì)的顯式拷貝，從而降低了對(duì)內(nèi)存的壓力，并減小了性能損失。想必也是如此，申威26010的緩存和內(nèi)存都顯得偏小，因?yàn)樵L存模型可能非常單純——等于是放棄現(xiàn)有cpu的復(fù)雜內(nèi)存管理模型，把內(nèi)存調(diào)度的任務(wù)完全交給開發(fā)者，只在CPU支持一個(gè)最簡(jiǎn)單的訪存模型，在硬件上沒有cache的硬件一致性要求（Intel KNL將Cache一致性交由硬件負(fù)責(zé)），將同步的工作交給軟件。這種異乎尋常的設(shè)計(jì)在申威26010擁有高性能和低功耗的同時(shí)，彌補(bǔ)了在內(nèi)存上的短板。

| 神威太湖之光到底有多強(qiáng)？

神威太湖之光刷新TOP500排行榜，依靠的是其強(qiáng)悍的雙精浮點(diǎn)性能——其高達(dá)125PFlops雙精浮點(diǎn)峰值和93PFlops穩(wěn)定性能讓世人驚嘆。

其實(shí)，除了擁有超強(qiáng)的雙精浮點(diǎn)性能之外，神威太湖之光還擁有整機(jī)效率高，整機(jī)功耗低、性能功耗比高，整機(jī)體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

高性能——神威太湖之光雙精浮點(diǎn)峰值高達(dá)125PFlops，穩(wěn)定性能為93PFlops，相比較之下，美國(guó)超算泰坦的雙精浮點(diǎn)峰值高達(dá)27 Pflops，穩(wěn)定性能為17.6 PFlops，天河2號(hào)的雙精浮點(diǎn)峰值高達(dá)54.9Pflops，穩(wěn)定性能為30.65PFlops，由此可見，神威太湖之光在穩(wěn)定性能是美國(guó)超算泰坦5.2倍。

高效率——神威太湖之光整機(jī)效率高達(dá)74.16%，相比較之下，美國(guó)超算泰坦的整機(jī)效率為65.19% ，而河2號(hào)的整機(jī)效率為55.83%，由于超算性能越強(qiáng)，規(guī)模越大，整機(jī)效率提升就越困難神威太湖之光在穩(wěn)定性能是美國(guó)超算泰坦5.2倍的情況下，整機(jī)效率依然大幅優(yōu)于泰坦，整機(jī)效率之高簡(jiǎn)直令人驚駭。

低功耗——神威太湖之光的功耗為15.3 MW，美國(guó)超算泰坦功耗為9MW，天河2號(hào)為17.8 MW，可以說，神威太湖之光的穩(wěn)定性能達(dá)到天河2號(hào)3倍的水平，但整機(jī)功耗卻低于天河2號(hào)。

性能功耗比高——神威太湖之光的性能功耗比高達(dá)6G/W，相比之下，TOP500超算榜單上的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都相形見絀——天河2號(hào)的整機(jī)性能功耗比為1.95G/W，美國(guó)泰坦超算的性能功耗比為2.143G/W，美國(guó)超算紅杉整機(jī)性能功耗比為2.069G/W，日本超算“京”整機(jī)性能功耗比為0.830/W......即便是全球Green500排行榜，神威太湖之光也能排至第三位。由于Green500排行榜第一和第二的超算只采用了低功耗版的Intel E5，性能非常弱，而即便是采用英偉達(dá)K80加速卡的超算，其整機(jī)性能功耗比也只有4.7G/W。因此，神威太湖之光在性能功耗比上顯得格外耀眼。

小體積——神威太湖之光機(jī)柜占地605平方米，美國(guó)超算泰坦機(jī)柜占地面積404平方米，天河2號(hào)機(jī)柜占地面積720平方米。

| 結(jié)語(yǔ)

在CPU、操作系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等核心部件全名自主化后，一些人以“超算性能過剩論”來指責(zé)神威太湖之光超算性能過剩，是面子工程，根本無(wú)用。

對(duì)于“超算性能過剩論”，筆者認(rèn)為，對(duì)性能的追求是永遠(yuǎn)不會(huì)停止的，計(jì)算用的代碼是可以修改計(jì)算精度的，如果有更好的計(jì)算條件用戶自然會(huì)提高網(wǎng)格密度或粒子數(shù)目，稍加修改就使計(jì)算精度提高了，高的精度可以用來解決更深一層的問題。所以做性能多高的超算都不會(huì)性能過剩，做超算從沒有夠用的說法。

正如奧林匹克格言“更快、更高、更強(qiáng)”，超算同樣只有不斷追求更快。

雷鋒網(wǎng)注：本文作者鐵流，微信號(hào)tieliu1988。轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系雷鋒網(wǎng)授權(quán)，不得修改文章。

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3、相比龍芯，申威的“芯”路歷程為什么平坦很多？

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