全球超算竞赛，美国赢了吗
本报记者 马 俊 本报特约记者 陈 山
美国最新超算，性能强在哪儿？
国际超算大会（ISC）5月30日在德国汉堡发布了最新版全球超算TOP500榜单，美国橡树岭国家实验室的新型超算“前沿”（Frontier）以压倒性优势成为全球最快超算。尤其让外界关注的是，“前沿”也是全球首台正式发布的每秒浮点运算速度超过百亿亿次的超算（简称“E级超算”）。在与中国争夺全球首台E级超算的“军备竞赛”中获胜，美国媒体的兴奋溢于言表。
美国《纽约时报》5月30日称，“前沿”让美国在超算领域重新夺回了令人艳羡的世界第一，对于这项在科学、医学和其他领域发挥重大作用的技术来说，是一大里程碑。根据全球超算TOP500排行榜数据，“前沿”将超算的算力计量单位推进了一步——原先用于描述超算算力的计算单位是Petaflop/s，即每秒浮点运算千万亿次，而“前沿”登顶榜首的同时，也首次让每秒浮点运算能力百亿亿次（Exaflop/s）出现在全球超算TOP500排行榜上。它的理论运算峰值为1.685 Exaflop/s，在Linpack基准测试中为1.102 Exaflop/s。“‘前沿’不仅成为有史以来最强大的超算，也是第一台真正具有百亿亿次浮点运算能力的超算”。《日本经济新闻》5月31日也不无羡慕地说，“前沿”与2020年6月开始连续4次蝉联全球超算TOP500榜首的日本“富岳”（Linpack基准测试442.01 Petaflop/s）拉开两倍以上的差距。
在美国“前沿”和日本“富岳”之后，排在第三位的是欧洲高性能计算联合会在芬兰建造的“LUMI”。根据该榜单，在排名前十的全球最快超算中，美国占据了5席，而中国仅占有两席，分别是排名第六的“神威·太湖之光”和第九的“天河二号”。
全球超算TOP500排行榜每半年更新一次，近年来中国、日本和美国超算都曾夺得“全球最快超算”的桂冠。但为何这次“前沿”夺冠如此受到外界关注呢？中科院计算所研究员张云泉5月31日接受《环球时报》记者采访时表示，关键就在于“前沿”是全球首款公开发布的E级超算。张云泉介绍说，业内对E级超算标准有着严格定义，要求以高精度Linpack基准测试作为其性能的衡量标准，这也是全球超算TOP500榜单的参考基础。同时，E级超算的功耗还不能超过40MW。
对于E级超算，业内认定分为三个层次：第一层是超算的运行峰值性能突破Exaflop/s，第二层是在Linpack基准实际测试中突破Exaflop/s，“前沿”实际已经达到这个层次。第三层的要求更高，在应用运用中的速度超过Exaflop/s。
张云泉表示，“前沿”的性能指标的确相当不错。但它在体系架构上没特别的惊喜，沿用了中国率先开创的CPU+GPU的技术路线。“真正让人感到吃惊的是‘前沿’的功耗出乎外界意料的低，只有20MW，还不到业内40MW标准的一半。”
为何各国争相研制E级超算
业内对于E级超算的标准如此严格，从侧面也证明了各国对它的重视。美国甚至将“抢先研制出E级超算”当成美国保持科技领先的国家形象工程。张云泉介绍说，美国目前在同时推进三个E级超算项目。除了“前沿”外，美国能源部下属的阿尔贡国家实验室在承建另一台美国E级超算“极光（Aurora）”，它采用英特尔公司专为融合人工智能技术和高性能计算而设计的一系列新技术。美国正在研制的第三台E级超算是更为雄心勃勃的El Capitan，号称峰值性能要达到2 Exaflop/s以上。
张云泉表示，除了美国和中国外，日本、欧洲、俄罗斯和印度也都有研制E级超算的规划。但从目前看来，即便是资金和技术能力最强的日本也已遭遇挫折。“富岳”仅在特定情况下（用于人工智能模型训练的混合精度Linpack基准测试）运算速度能突破1 Exaflop/s，而且它的功耗特别高，达不到E级超算的标准。《日本经济新闻》称，在后“富岳”时代，日本要想继续研制E级超算需要投资1000亿日元以上，“财政状况严峻的日本难以与中美等国持续展开超算竞赛”。
为何各国不惜重金也要争先研制E级超算呢？张云泉介绍说，首先，人类对于计算速度的追求是永无止境的。为破解自然科学的很多难题，需要计算非常复杂的方程组，对于运算速度的要求非常高。他举例说，超算在天气预报模型中有广泛应用，它的计算速度越快，对于复杂气象的预报精度也就越高。
超算还被广泛用于创新药、新材料等领域。日本“富岳”就被用于筛选适合治疗新冠肺炎的药物，它可以极大提升效率，降低创新药的成本。
此外，目前新兴的人工智能技术也成为超算大展手脚的新战场。从发展趋势来看，“前沿”在设计上专门进行了优化，既可以支持科学研究的高精度计算，也可以支持人工智能技术的低精度计算。
除了民用领域，张云泉强调说，美国如此重视E级超算，还在于它被美国看作是国家安全方面的尖端利器。“包括核武器、高超音速飞行器的研制和信息安全领域，都需要规模巨大、计算精度高的超算。可以说，谁的超算速度快，谁就掌握了主动权。”例如美国运行速度最快的几台超算都位于美国能源部下属的几个国家实验室中，后者都有核武器的研制背景。外界普遍认为，美国正利用这些超算进行模拟测试核爆炸，并研制新型核武器。
此外，外界猜测美国在网络信息安全领域也大量使用超算。按照美国之前被曝光的“棱镜”计划，美国通过各种渠道获得的海量数据，必须依靠超算进行破解和大数据分析。此前有网络安全专家曾透露，超算的运算速度快，意味着它可以暴力破解对手的加密程序，导致原本有效的信息安全系统不再安全了。因此哪怕是从争夺信息安全控制权的角度出发，美国也对其他国家拥有比美国更快的超算保持高度警惕。
中国超算“排名下降”，真相到底如何
外界注意到，近年日本和欧洲的新超算接连问世，全球超算TOP500榜单上的中国超算排名接连下降。这是中国超算不行了吗？
此前公开报道显示，中国至少有“神威”E级原型机、“天河三号”E级原型机和曙光E级原型机三个不同技术路线的原型机系统完成交付。《纽约时报》称，有专家透露“中国去年已经研制出两台E级超算，其运算速度超过了‘前沿’”。而全球超算TOP500排行榜上之所以没有中国E级超算的身影，是因为中国方面没有提交相关数据。据《环球时报》记者了解，全球超算TOP500采用企业自主提交超算资料，然后由国际超算大会进行排名的模式，如果中国企业没有提交相关资料，相关榜单上就不会更新。英国《金融时报》近日声称，中国首台E级超算已运行一年多，第二台E级超算也开始运行，却都没有参与全球超算排名，也没有正式亮相。但值得注意的是，中国去年拿到全球高性能应用领域最高奖“戈登·贝尔”奖。据了解，如果不是在世界最快超算上做出的成绩，是无法拿到“戈登·贝尔”奖的。
《环球时报》记者注意到，近年来美国在超算领域对中国发起一系列针对性动作。2019年，美国曾对中国5家与超算相关的实体进行出口管制，一年后又将7家中国相关实体列入“实体清单”。美方的公开借口是它们涉嫌“破坏军事现代化的稳定”，但美国商务部官员告诉美媒，它们都与“中国试图建造世界上第一部E级超算”有关。由于全球超算TOP500榜单上表现突出的中国企业可能被美国列入黑名单、遭到更严厉的制裁，直接导致的结果就是中国企业不愿意提交最新的超算数据。但即便面临美国的打压，在全球超算TOP500排行榜中，中国上榜总数为173台，与上届持平，而美国则从150台下降到126台。▲