E级高性能计算机的曙光

E级高性能计算机的曙光

人类对认识世界、自然规律、宇宙探索的好奇心以及对问题规模和精度的追求，决定了人们对高性能计算能力的需求“不会止步”。在“新科”全球最快高性能计算机“太湖之光”以峰值性能125.436PFlops（即0.125436EFlops）刷新了最快运算速度之后，人们又将目标瞄向了E级——每秒可进行百亿亿次数学运算的计算机（下文简称“E级机”），它是当下公认的“高性能计算界的下一顶皇冠”。

E级机·战略高度

好比“两弹一星”一样，E级机不仅是计算领域的重大科技创新，更是一个国家综合国力和科技创新能力的重要标志，已成为当前各国竞相角逐的战略制高点。美国、欧盟、日本等都提出了自己的E级机研发计划，中国也启动了E级原型机的研究计划。研发E级系统和设备，我国必须掌握主动权。

此外，E级机也并非“花瓶”和“面子工程”，它在事关国计民生的重大问题上都有用武之地。计算性能每提高1个数量级，人类对它们的需求就提高3个数量级。远看深处贵州黔东南的“开天巨眼”FAST工程，近观困扰上下的大气污染的监测与治理，背后莫不需要更先进高性能计算的助力。一言以蔽之，E级高性能计算机的研发利国利民。

更值得一提的是，E级计算设备除对各个产业领域提速换挡有贡献、提高国家竞争力之外，还将“向下流动”促进产业发展，比如增强包括从智能手机到相机在内的消费电子产品计算系统的软硬件性能等。

E级机·挑战和难点

任何对极致的追求都如登山，越到高处越见难。更何况，E级机的建造难度并不仅仅在于速度的提升。简单来说，摆在E级计算面前的挑战有访存墙、可靠性墙、能耗墙、扩展性墙，以及生态环境、多领域应用融合等阻碍，它们是突破E级计算的难点，需要采用全新的思路和方法去攻克。

在这些难点之中，有一点是最受关切和可量化的，那就是功耗。按照国际公认标准，E级机的功耗应低于20MW。按照这一功耗目标要求，未来E级机的能效比要达到50 GFlops/W。

这是一堵难以逾越的高墙，毕竟排在全球超级计算机Green500榜单第三位、创造了大规模高性能计算机Linpack测试最好成绩的“太湖之光”每瓦性能只有6 GFlops，相差一个数量级。

E级机的生态环境和应用也备受关注。没有良好的、便于移植扩展的生态环境和丰富的应用，E级机也只是一台机器。解决这一问题，需要从其体系结构、关键技术的研发路线上进行提早规划，以使未来的E级机能够被充分应用起来并进行产业化复制。

E级机·中国力量

继美国将E级机列入其“国家战略计算计划”，欧盟、日本相继制定E级计划之后，我国也计划将E级机列为“十三五”规划中的重头戏，并将实现的时间表划定为“十三五”收官之年（2020年）左右。

随后，在科技部的支持下，中科曙光、国防科技大学和江南计算技术研究所三支高性能计算的国家队，分别牵头承担了国家“十三五”高性能计算专项课题中E级超算的原型系统研制项目。7月4日，中科曙光在“2016曙光技术创新大会”上宣布，正式启动由其牵头的“E级高性能计算机原型系统项目”的研制。

中国能否率先站上E级机的“世界之巅”？可以说不仅有机会，而且机会很大。近年来，科技部等国家科技部门越来越重视高性能计算人才、资源、技术和材料的储备，中国高性能计算机在最新全球超级计算机TOP500榜单上的总数量首次超越美国成为第一便是例证。而早在2004年，曙光4000就曾首度将中国高性能计算机带入全球TOP500前十名，曙光6000又令中国跻身世界前三甲，近年来中国军团更在全球TOP500的榜单上牢牢占据第一的位置。中国高性能计算机已经彻底洗刷了“玻璃房子”之辱，成为世界高性能计算阵营中不可忽视的一股力量。

在“E级高性能计算原型系统项目”中，曙光将围绕一系列挑战与难点，提出创新的E级机体系结构，并从计算系统、网络架构、存储架构、系统软件、冷却系统、应用支撑等多方面提出E级系统的方案，为国产E级机的研制奠定坚实的技术基础。

按照预期目标，在预研项目完成时，曙光将不仅在计算、网络、存储等关键技术上取得突破，更将针对上文提及的能耗、生态、应用等社会广泛关注的重点问题，研制出能效比10GFlops/W以上的E级机原型系统；同时，采用自主可控的国产通用处理器和工业标准技术，将使原型系统具有良好的生态环境和广泛的应用适用性；通过超融合计算和应用自适应技术，可以良好支撑高性能计算、深度学习、大数据、云计算等多领域的应用融合。

E级机·展望

每秒执行百亿亿次计算，这是人类目前所建最快机器计算速度的数十、上百倍，E级高性能计算机将是一个全新的“物种”——它们不仅在于快，更在于它们可以以全新的方式处理大数据。

E级机未来将在一些我们今天不能解决的问题上大显身手：它可以用来攻克癌症；或者用于模拟人的心脏，以仿真各种药物对心脏的影响；还可以用于天体物理大数据的处理、模拟宇宙的演化及无库存核武器仿真等，在解决人类共同面临的健康危机、能源危机、环境污染和气候变化等重大问题上发挥巨大作用。

这些前景光明的应用也让曙光等单位开展的E级高性能计算机原型系统的研发变得意义非比寻常。一方面它可以使高性能计算机得以更高效更广泛的应用起来，真正在行业、企业中发挥其更大的经济价值和产业价值；另一方面还可以提升和改善我国超算中心的商业化服务能力和盈利能力；而且，通过原型机及其采用的自主核心技术的产业化，可以提升国产高性能计算机的整体竞争力，促进中国高性能计算机更全面的发展、更好的走向世界。

E级高性能计算机原型系统概念图