【PConline資訊】TOP500組織今天公布了第38屆全球超級計算機五百強排行榜，升級完畢的日本“京”(KComputer)輕松蟬聯(lián)桂冠，這也是人類歷史上第一臺計算能力跨越1億億次每秒的計算系統(tǒng)。

半年前，只建設完成一部分的“京”就輕而易舉地將日本帶上了超級計算機新王者的寶座，當時的最大性能為8.162千萬億次浮點計算每秒。不同于其它近來表現(xiàn)“猖狂”的高性能計算系統(tǒng)，“京”仍舊完全基于傳統(tǒng)處理器，沒有使用GPU加速。

日本超級計算機“京”

日本“京”(KComputer)超級計算機

現(xiàn)在的“京”配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器，核心總量705024個，最大計算性能1.051PFlops(10.51億億次每秒)，峰值性能1.128038PFlops(11.28億億次每秒)，有效率高達93.2％，同時總功耗為12659.9千瓦。

“京”將在明年6月完成整個系統(tǒng)的配置，并于同年11月正式開始運用。除用于模擬演算地震、海嘯、臺風等地球科學及有關宇宙形成的研究外，“京”還將運用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機的研發(fā)等工作。

日本超級計算機“京”

這款新型超級計算機名為“京”，這是全球首款運算速度越過1萬萬億次大關的“超級運算機器”。K計算機的性能是使用68,544個SPARC64VIIIfx處理器衡量的，每個處理器配置8個內(nèi)核，一共有548,352個內(nèi)核，幾乎是其它世界500強超級計算機處理器內(nèi)核數(shù)量的一倍。

日本超級計算機“京”

超級計算機“京”是在日本文部科學省的監(jiān)督下研制的，其研究目標直指每秒1萬萬億次運算速度大關。在日語中，“京”是一個計量單位，代表1萬萬億。該計劃原先的設想是由日本本土IT巨頭富士通，日立和NEC公司共同承擔這項耗資12億美元的項目，但是在2009年的全球金融危機中，日立和NEC公司先后宣布退出。

剩下的富士通公司獨力支撐，決心用該公司自己生產(chǎn)的，專為高性能計算機設計的SPARC64VIIIfx芯片進行研制?！熬辈捎?64座機柜，連接超過8.8萬塊CPU，這些處理器經(jīng)過設計能夠進行聯(lián)合運算。今年8月份，“京”的最后一座機柜在神戶的日本理化研究所安裝到位?，F(xiàn)在富士通公司終于可以向全世界宣布這一超級計算機領域里程碑式重大事件的完成。

日本超級計算機“京”

與其它最近發(fā)布的超級計算機不同，K計算機沒有使用圖形處理器或者其它加速器。但是，它使用的是這個排行榜中最強大的和最節(jié)能的系統(tǒng)。根據(jù)行業(yè)通行的Linpack標準，“京”的平均運算速度是其峰值速度的大約93%。

日本超級計算機“京”

6月份時，它曾以每秒8162萬億次的運算速度排名世界第一。但是恐怕“京”的冠軍寶座也坐不了多久，在這個競爭幾乎白熱化的領域，這是一貫的游戲規(guī)則。美國IBM公司和Cray公司目前正在為美國能源部進行2萬萬億次超級計算機的研制工作，預計將于明年完成。

日本超級計算機“京”

這臺超級計算機將安裝在神戶的日本理化學研究所(RIKEN)。

日本超級計算機“京”

當建造完成時，這臺超級計算機的運行速度將達每秒10千萬億次浮點運算。富士通此次并未給出京的耗電量水平數(shù)據(jù)，但是根據(jù)它在今年6月份達到每秒1000萬億次運算水平的時候，其實測功率約為9.89兆瓦，也就是大約每年989萬美元的用電費用。>>

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中國“天河一號A”屈居亞軍

中國的“天河一號A”依然位列亞軍，性能上完全不變，最大性能只有“京”的24.4％。事實上，除了一路狂奔的“京”之外，從第二名到到第十一名都沒有絲毫變化。這種沉寂在高性能計算歷史上實屬罕見，TOP500總編輯ErichStrohmaier也表示：“自從1993年我們第一次發(fā)布(超算)排行榜以來，這是第一次前十名紋絲不動?！?/p>

天河一號A其實就這這一排排的機柜

從官方公布的資料來看，“天河一號”在結構上包括了的硬件系統(tǒng)包括計算陣列、加速陣列、服務陣列，以及互連通信子系統(tǒng)、I/O存儲子系統(tǒng)和監(jiān)控診斷子系統(tǒng)等。

而在具體參數(shù)上，這款超算計算陣列有2560個計算結點，每個計算結點集成2個IntelCPU，配32GB內(nèi)存；服務陣列配備了512個服務結點，每個服務結點含2個IntelEPCPU、32GB內(nèi)存；加速陣列使用了2560個加速結點，每個加速結點含2個AMDGPU、2GB顯存。

中國“天河一號A”

而除此之外，“天河一號”采用兩級InfinibandQDR互，單個通信鏈路的通信帶寬為40Gbps、延遲1.2μs的互聯(lián)通信子系統(tǒng)，磁盤容量1PB的I/O存儲子系統(tǒng)，另外其好配備有采用分布式集中管理結構，實現(xiàn)全系統(tǒng)的實時安全監(jiān)測、系統(tǒng)控制和調(diào)試診斷等功能的監(jiān)控系統(tǒng)。

除了硬件之外，作為一款超級計算機，沒有軟件系統(tǒng)的支撐其很難發(fā)揮自身的潛力，因此“天河一號”也配備了功能完善的軟件系統(tǒng)。“天河一號”的軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)和并行程序開發(fā)環(huán)境等四部分組成。

中國“天河一號A”

操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)采用64位Linux，面向高性能并行計算、支持能耗管理、虛擬化和安全隔離等進行了針對性設計。

編譯系統(tǒng)：支持C、C++、Fortran77/90/95、Java語言，支持OpenMP、MPI并行編程，提供異構協(xié)同編程框架，高效發(fā)揮CPU和GPU的協(xié)同計算能力。

資源管理：提供全系統(tǒng)資源統(tǒng)一視圖，實現(xiàn)多策略資源分配與作業(yè)調(diào)度，有效提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐率并行程序開發(fā)環(huán)境并行程序開發(fā)環(huán)境提供一體化圖形用戶界面，支持應用程序的調(diào)試和性能分析。

在“天河一號”的身上，我們可以找到不少的興奮點，不僅僅是高達千萬億次的峰值運算性能，更有CPU+GPU的異構設計，近年來，GPU得到了高速的發(fā)展，其適合于并行數(shù)值計算的特性使得高性能計算領域?qū)ζ湟恢笨春?，而在此基礎上發(fā)展起來的GPGPU(General-purposecomputingongraphicsprocessingunits)更是由于強大的并行處理能力和可編程流水線使得其在面對單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）且數(shù)據(jù)處理的運算量遠大于數(shù)據(jù)調(diào)度和傳輸?shù)男枰獣r能夠取得遠超傳統(tǒng)CPU的性能，這一點在“天河一號”上就體現(xiàn)的非常明顯。

2009中國超算排行榜TOP10

從上面的配置圖中我們可以看到，“天河一號”的加速系統(tǒng)使用了2560塊AMDRadeonHD4870X2顯卡，5120顆運行在575MHz的RV770GPU，每顆GPU擁有1GBGDDR5內(nèi)存。

575Mhz下的4870X2理論雙精度浮點能力為0.575*2*800/5*2=368Gflops，2560片能提供942.08TF的理論雙精度運算能力，而根據(jù)官方提供的46.7%的系統(tǒng)效率以及563100.00Gflops的Linpack值，我們不難得出“天河一號”的理論運算值為563100.00/0.467≈1205781.58Gflops，這也基本就是官方公布的系統(tǒng)峰值，兩者相除我們不難看出GPU在整個系統(tǒng)中提供了78%的運算能力。而剩下的5120顆至強E5540與1024顆至強E5450所提供的理論運算能力僅為2.53*4*4*5120+3.0*4*4*1024=255680.96Gflops。

GPU強大的并行運算能力從這里可以看的一清二楚，而這一點也完全可以從GPU與CPU的對比中看得非常清楚，CPU由于架構的原因以往一直都通過提升制程工藝和主頻上來下手，但這遲早會遇到壁壘，而于此同時GPU卻的性能以每年2.8倍的速度增長。

而在CPU與GPU的性能比較方面，如果說CPU一條單車道公路，一次只能走一輛車的話，GPU就是擁有多個車道的高速公路，正式大量并行的結構使得其在浮點運算方面擁有了非常塊的速度，而在GPU基礎上發(fā)展起來的GPGPU（通用圖形處理器）很好地繼承了這一優(yōu)點，其具有比CPU高一個數(shù)量級的浮點性能，因此在注重運算速度高性能領域被格外看好。>>

世界超算前十名排行榜名稱及運行速度（千萬億次/秒）

下面我們來關注一下世界超級計算機前十名的名稱及運行速度，日本“京”和中國的“天河一號”上面有提到，這里就不贅述了。

1日本“京”10.51

2中國“天河一號”2.57

3美國“美洲豹”1.759

Cray美洲豹超級計算機

CrayXT5-HEOpteronSixCore2.6GHz內(nèi)核數(shù)224162個，實測運算速度1759000GFLOPS，理論峰值運算速度2331000GFLOPS，Cray美洲豹隸屬于美國能源部，坐落于美國橡樹嶺國家實驗室。說到橡樹嶺國家實驗室，作為“曼哈頓計劃”的一部分，（曼哈頓計劃就是美國于1942年利用核裂變反應研制原子彈的計劃。曼哈頓計劃成功實施后為美國留下了巨大的財富——洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室）最近的項目是將建設核能創(chuàng)新中心。

說到橡樹嶺國家實驗室，作為“曼哈頓計劃”的一部分，（曼哈頓計劃就是美國于1942年利用核裂變反應研制原子彈的計劃。曼哈頓計劃成功實施后為美國留下了巨大的財富——洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室）最近的項目是將建設核能創(chuàng)新中心。

橡樹嶺國家實驗室

美國能源部于5月28日宣布，為激勵創(chuàng)新和實現(xiàn)清潔能源突破，由橡樹嶺國家實驗室領導的團隊將獲得1.22億美元的支持，目的是在五年內(nèi)建立和運營一座核能建模與仿真能源創(chuàng)新中心。該中心的人員將來自大學、產(chǎn)業(yè)界和其他國家實驗室，將利用世界上性能最先進、功能最強大的美洲豹超級計算機，推動核反應堆在設計和工程方面的重大飛躍。

我們怎樣才能對全球氣候變化有更為準確的把握？可以看一看當今用于監(jiān)控大氣環(huán)境的一些先進儀器。在從美國聯(lián)邦政府經(jīng)濟刺激計劃中獲得1990萬美元的升級經(jīng)費以后，“美洲豹”XT5系統(tǒng)的運算速度最終達到1.759千萬億次，一舉成為當今世界上最快的超級計算機。

這臺世界上最快的超級計算機致力于解決可能拯救世界的科學難題——氣候變化、可再生能源等，而不是用以提升核武器的性能?！懊乐薇盭T5系統(tǒng)由美國國家科學基金會出資、Cray公司建造，田納西大學和國家計算科學研究院共同擁有。

美洲豹的科學應用

在已經(jīng)披露過的美洲豹超級計算機的科學應用中，上圖從左到右從上到下依次為：

1：極端氣候模擬。

2：超新星研究。

3：生命和半衰期。

4：從光合作用到新燃料

5：聚變加速

6：模仿火山爆發(fā)應激氣候

橡樹嶺國家實驗室負責科學技術的副主任湯姆斯·撒迦利亞(ThomasZacharia)表示：“這表明科學確實極為重要，尤其是在解決我們當前面臨的最大一些挑戰(zhàn)時，重要性更加凸顯。‘美洲豹’XT5系統(tǒng)正處于先進的氣候變化科學和能源技術政策的交界處?！?/p>4中國“星云”1.271

星云的核心部件采用了曙光公司自主研發(fā)的最新一代刀片服務器曙光TC3600，是全球第一款同時支持HPCSC（中國電子工業(yè)標準化協(xié)會－高性能計算機標準工作委員會）并兼容SSI國際開放性標準的刀片服務器系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國刀片服務器產(chǎn)品的標準化。

“星云”系統(tǒng)還應用了曙光自主研發(fā)的QDRIfiniband高速交換模塊（HSSM）、大規(guī)模系統(tǒng)管理和調(diào)度系統(tǒng)（Gridview）、高性能計算機安全系統(tǒng)（NiKey）等多項領先技術，使曙光“星云”成為中國自主可控高性能計算機系統(tǒng)。

曙光“星云”是中國第一臺面向未來“云計算”環(huán)境設計的超級計算機系統(tǒng)，強調(diào)系統(tǒng)的均衡設計和資源動態(tài)調(diào)度能力，將成為我國新一代超級云計算中心建設的主力機種。

?！靶窃啤毕到y(tǒng)實測峰值達每秒1271萬億次(每秒執(zhí)行1271萬億條指令)，使其成為亞洲和中國第一臺、世界第三臺實測性能超千萬億次的超級計算機。

國內(nèi)外典型超算對比

星云采用了自主設計的HPP體系結構、高效異構協(xié)同計算技術，高效易用的編程環(huán)境，極大方便用戶操作應用。采用全冗余設計，無單一故障點，在對系統(tǒng)Linpack（國際標準的超級計算機測試方法）測試中，“星云”表現(xiàn)出它的極高穩(wěn)定性和可靠性。

在對單柜測試得出，“星云”單柜峰值高達25.7TFlops，成為國內(nèi)同類系統(tǒng)單位面積計算峰值最高的計算機。每瓦能耗實測性能超過4.98億次，成為目前是國內(nèi)最綠色的超級計算機。

5日本“燕子2.0”1.192

燕子2.0（Tsubame2.0）

該電腦位于日本東經(jīng)工業(yè)大學，速度比日本原先最快的、由日本原子能機構所有的超級電腦快12倍。主要提供給日本大學研究和小部分獨立用戶使用，該電腦同時運行微軟和Linux軟件，運行速度達每秒1.2千萬億次。>>

6美國“Cielo”1.110

Cielo在西班牙語中是“天空”的意思，為洛斯阿拉莫斯國家實驗室、桑迪亞和利弗莫爾三個國家實驗室提供計算支持。

美國“Cielo”

洛斯阿拉莫斯國家實驗室

Cielo超級計算機參數(shù)

Cielo超級計算機采用Cray公司的Baker架構，基于AMDOpteron八核處理器，默認主頻為2.4GHz計算節(jié)點方面采用雙子星相互連接。

7美國“昴星團”1.088

昴星Pleiades超級計算機

Pleiades超級計算機由SGI公司基于英特爾至強打造，由4核Harpertown3.0Ghz和6核Westmere2.93Ghz構成，網(wǎng)絡連接架構是infiniband方式。內(nèi)核數(shù)為81920個，理論運算峰值速度973291GFLOPS，實測運算速度772700GFLOPS。(TOP500運算速度排名世界第6)

NASA總部航拍圖

8美國“Hopper”1.054

哈博（Hopper）

該電腦是以美國海軍女少將格蕾絲·哈博（GraceHopper）的名字命名，她也是軟件及編程語言的先驅(qū)者。這臺電腦位于美國國家能源研究科學計算中心（NERSC），運行速度達到每秒1.05千萬億次。

9法國“Tera-100”1.050

法國Tera100

Tera100系統(tǒng)的理論峰值性能為1.25Petaflops，Linpack性能約為1Petaflop左右，超過了目前歐洲性能最高的JUGENE系統(tǒng)。JUGENE系統(tǒng)由IBM公司采用藍色基因/P方案研制，峰值性能為1Petaflop，Linpack性能為0.825Petaflops，安裝在德國于利希研究中心。

法國Tera100

Tera100于2010年3月完成安裝，5月26日正式加電啟動。整臺系統(tǒng)由4300個bullxS系列服務器組成。系統(tǒng)使用了140000顆IntelXeon7500處理核心，內(nèi)部存儲器容量為300TB，外部存儲器容量為20PB，全局文件系統(tǒng)的吞吐量為500GB/s。Tera100將被用于法國核武器模擬項目，以確保核威懾武器的安全可靠。>>

10美國“走鵑”1.042

其實“走鵑”和“美洲豹”都歸美國能源部所有，但它們的用途不同?！懊乐薇盭T5是“開放科學”工具，用于涉及廣泛主題的同行評審研究，而“走鵑”系統(tǒng)則完全用于對美國核武器進行復雜而秘密的評估。

IBM走鵑超級計算機

同樣隸屬于美國能源部的洛斯阿拉莫斯國家實驗室。該實驗室以研制了世界上第一顆原子彈而聞名于世。這里部署了另一臺赫赫有名的超級計算機，IBM走鵑超級計算機（BladeCenterQS22/LS21Cluster,PowerXCell8i3.2Ghz/OpteronDC1.8GHz，內(nèi)和數(shù)122400個）。

其實“走鵑”也是一種IBM系統(tǒng)計算機，每秒運算速度可達1042萬億次。它采用了一系列專門針對游戲和商業(yè)的技術，包括用于索尼“游戲站3”的九核Cell處理器和AMD雙核皓龍?zhí)幚砥?。因此，“走鵑”是全球第一臺采用Cell處理器的混合式超級計算機?！白啭N”系統(tǒng)主要用于對美國核武器進行復雜而秘密的評估。

走鵑

“走鵑”采用了一系列專門針對游戲和商業(yè)的技術，包括用于PlayStation3游戲機的Cell寬帶引擎和AMDx86處理器?！白啭N”擁有130536個計算核心，包括12960顆Cell引擎的116640個PPE和SPE核心，以及6948顆雙核AMDOpteron處理器?！白啭N”是全球第一臺采用Cell處理器的混合式超級計算機，但也因此需要三種不同的編程工具，以確保不同核心同時高效率運行。

除此之外，“走鵑”擁有80TB內(nèi)存、57英里光纖、3456個Tri-Blade節(jié)點，每個節(jié)點由兩臺BladeCenterQS22刀片式服務器和一臺LS21刀片式服務器組成，分別配置4顆Cell和2顆Opteron，兩種處理器使用PCI-E電纜連接在一起?！白啭N”占用了288個IBMBladeCentre機架，總占地面積約為6000平方英尺。IBM主管下一代計算機系統(tǒng)技術的副總裁比吉安·迪瓦里(BijanDivari)表示，“走鵑”的構造方式與人腦類似。

走鵑的科學應用

在已經(jīng)披露過的走鵑超級計算機的科學應用中，走鵑的科學應用主要為：

1：納米技術。

2：核聚變、激光技術。

3：磁重聯(lián)技術

4：艾滋病毒

5：暗物質(zhì)

6：銅反應

7：流體動力學

“走鵑”是全球第一臺運算速度達到petaflop級別的超級計算機。美國國家核安全管理局局長湯姆斯·阿戈斯蒂諾(ThomasAgostino)表示：“如果全世界60億人每天24小時、每周7天執(zhí)行純手工計算，那么需要46年時間才能完成‘走鵑’一天的工作量?！钡贤呃镱A計，比“走鵑”強大十倍的超級計算機將于10年內(nèi)出現(xiàn)，從而使環(huán)境模擬可以實時完成。>>

2011TOP500超算新榜單的一些變化：

2011年11月TOP500排行榜前十名

第500名的性能從半年前的39.1TFlops升至50.9TFlops。今年的最后一名半年前可排第305。所有系統(tǒng)總性能從一年前的43.7PFlops、半年前的58.7PFlops增加到74.2PFlops。中國超算數(shù)量74臺，排名第二，然后是日本30臺、英國27臺、法國23臺、德國20臺。

使用GPU加速的超算從17臺增至39臺，其中35臺使用NVIDIATesla計算卡、2臺使用Cell處理器、2臺使用AMDRadeon顯卡。使用六核心及以上處理器的系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)62％的份額。Intel處理器份額以76.8％高居第一，總計384臺。AMDOpteron目前占據(jù)63臺，也減少了3臺。IBM處理器穩(wěn)定在49臺。

千兆以太網(wǎng)是最流行的內(nèi)部互聯(lián)技術，占據(jù)223臺但比去年少了7臺。InfiniBand系統(tǒng)從208臺增至213臺。從性能上看，InfiniBand系統(tǒng)的性能幾乎是千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)的兩倍多，分別為28.7PFlops、14.2PFlops。

29臺超算的功耗超過了1000千瓦?！熬钡墓氖亲罡叩?，12659.9千瓦，不過因為性能更彪悍，能耗比其實是最高的之一，達到了830MFlops/W。能耗比最高的是藍色基因/Q，2029MFlops/W。所有系統(tǒng)平均能耗比282MFlops/W，比半年前、一年前提高了13.7％、28.8％。前十名平均功耗45.6千瓦，比半年前增加了2.6千瓦，而能耗比維持464MFlops/W不變。

之前榜單排名對比圖

2010年6月TOP500排行榜前十名

“國際TOP500組織”每半年更新一次排行榜。[返回頻道首頁]

【PConline資訊】搜索引擎谷歌公司，已經(jīng)建立一個新的實驗室，通過量子計算機研究人工智能。谷歌的量子計算機，執(zhí)行復雜的計算，比現(xiàn)有的超級計算機快數(shù)千倍，預計將在今年第三季度投入使用。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來描述我們的全球天氣和氣候，否則也不會有大企業(yè)和右翼政黨無法忽略的令人信服的證據(jù)。

在谷歌的量子人工智能實驗室當中，量子計算機會先進行機器學習，這是電腦學習的信息模式，以提高它們的輸出吞吐量。然后，量子計算機要負責進行個性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預測交通擁堵。另外，也要進行面部或語音識別，生物行為，或者非常龐大而復雜的系統(tǒng)管理工作。

谷歌表示已經(jīng)為量子計算機修改了機器學習算法，這種算法本來由D-Wave系統(tǒng)公司設計。今年D-Wave公司向洛克希德?馬丁公司出售了首臺商用量子計算機。洛克希德公司的官員表示，計算機將被用于測試和測量工作，如噴氣飛機的設計，或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。[返回頻道首頁]

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