6月17日，新一期超算500強(qiáng)榜單出爐，入選500強(qiáng)的所有超算浮點(diǎn)運(yùn)算速度都突破每秒千萬億次，中國超算也在前四占有兩席位置。

普通計算機(jī)用指令運(yùn)算速度衡量計算性能，而超算通常用浮點(diǎn)運(yùn)算速度來衡量其性能。那么，什么是浮點(diǎn)運(yùn)算速度，超算榜單為什么會選擇浮點(diǎn)運(yùn)算速度來進(jìn)行比較？500強(qiáng)特別是*的超算，科學(xué)家們都在想哪些辦法讓浮點(diǎn)運(yùn)算速度越來越快？節(jié)能環(huán)保是對超算的另一衡量指標(biāo)，超算要節(jié)能環(huán)保，的研究思路和實(shí)現(xiàn)策略又有哪些？6月19日，科技日報記者帶著這些問題，走訪了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家。

浮點(diǎn)運(yùn)算速度 衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一

“超級計算機(jī)被稱為‘國家重器’，屬于國家戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，是世界各國競相角逐的科技點(diǎn)。目前，高性能計算機(jī)領(lǐng)域市場競爭日趨激烈，美國、歐洲、日本和中國都在加速超級計算機(jī)的研發(fā)。”國家超級計算無錫中心主任楊廣文說。

“浮點(diǎn)運(yùn)算速度是指計算機(jī)系統(tǒng)每秒可以處理的浮點(diǎn)操作，通常用FLOPS來表示。”江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副院長柴志雷副教授說，超算榜單選擇浮點(diǎn)運(yùn)算速度作為對比參考，是因為超級計算機(jī)主要用于科學(xué)計算領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的計算主要采用浮點(diǎn)數(shù)。

江蘇理工學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院副院長范洪輝副教授告訴記者，浮點(diǎn)是指小數(shù)點(diǎn)位置不固定的數(shù)，它們執(zhí)行的算術(shù)運(yùn)算會消耗大量計算資源并可能產(chǎn)生誤差，所以單位時間內(nèi)浮點(diǎn)運(yùn)算的次數(shù)，是衡量超算性能的基準(zhǔn)程式之一。

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與大數(shù)據(jù)學(xué)院錢銀中博士表示，計算機(jī)只能存儲和處理整數(shù)，通過整數(shù)乘以某個基數(shù)的整數(shù)次冪，是計算機(jī)表示實(shí)數(shù)尤其是小數(shù)的方法。

“浮點(diǎn)運(yùn)算在運(yùn)算數(shù)大小變化范圍很大的場合可以實(shí)現(xiàn)很高的計算精度，是科學(xué)研究中的典型運(yùn)算。大多數(shù)處理器中，都有專門處理浮點(diǎn)運(yùn)算的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），F(xiàn)LOPS就是浮點(diǎn)運(yùn)算單元的執(zhí)行速度。”錢銀中說。

中國高性能計算重點(diǎn)研發(fā)專項總體組組長、中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)計算機(jī)學(xué)院院長錢德沛表示，選用浮點(diǎn)運(yùn)算速度作為超算運(yùn)算能力的評價標(biāo)準(zhǔn)，是因為科學(xué)工程計算軟件中包含了大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算速度快的計算機(jī)通常也能夠更快運(yùn)行相關(guān)的科學(xué)工程計算軟件。

把復(fù)雜的工作細(xì)分 超算界沒有快只有更快

超級計算機(jī)具有很強(qiáng)的計算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及高性能軟件系統(tǒng)。現(xiàn)有的超級計算機(jī)運(yùn)算速度，大都可以達(dá)到每秒一萬億次以上。

常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院牛杰博士介紹，超級計算機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計在于把復(fù)雜的工作細(xì)分并分配給不同的處理器。根據(jù)阿姆達(dá)爾定律，超級計算機(jī)的設(shè)計都集中在減少軟件序列化、用硬件在瓶頸上加速。

目前，世界排名*的超算，基本都是通過優(yōu)化CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）之間的連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提升GPU和協(xié)處理器性能，增加內(nèi)存容量、擴(kuò)充存儲容量、增大網(wǎng)絡(luò)帶寬、借助運(yùn)算加速卡等方式提升算力，終在高性能計算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用支撐等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

柴志雷認(rèn)為，提升超級計算機(jī)系統(tǒng)的浮點(diǎn)處理能力，不是單純讓浮點(diǎn)運(yùn)算本身更快，而是從整個系統(tǒng)的角度，提升芯片工藝，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)計算性能、存儲訪問性能、節(jié)點(diǎn)間通信等，從而使得系統(tǒng)的整體能力得到提升。目前，還經(jīng)常采用在系統(tǒng)中增加加速器等方法，來獲得更高計算效率。

錢銀中介紹，實(shí)現(xiàn)超算的技術(shù)有大規(guī)模并行計算法，這種方法使多個處理器一起工作，每個處理器處理一個大問題中的不同任務(wù)。這種方法有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：一種是網(wǎng)格計算法，多個計算機(jī)連接成分散的分布式結(jié)構(gòu)，分屬不同的控制區(qū)域，當(dāng)需要計算機(jī)時從中擇機(jī)選擇；另一種是把處理器組織為關(guān)系緊密的集群。現(xiàn)代超算使用無限帶寬系統(tǒng)、三維環(huán)面互連等技術(shù)，在大規(guī)模并行系統(tǒng)中提高集群的速度和靈活性。

國家超級計算無錫中心先進(jìn)制造部部長任虎介紹，目前，提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度的方法主要有：提高芯片計算核心的時鐘頻率，增加芯片中計算核心的數(shù)量，通過多流水線、乘加融合（FMA）等技術(shù)增加單位時間內(nèi)處理浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。

例如，曙光星云采用了自主研發(fā)的超并行處理體系結(jié)構(gòu)、神威藍(lán)光超算采用了大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)、天河一號采用了多陣列可配置協(xié)同并行體系結(jié)構(gòu)、天河二號采用了自創(chuàng)的新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)。此外，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、存儲、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、電源和冷卻等系統(tǒng)都對超算的性能有著重要的影響，所以超算的世界里沒有快，只有更快。