日本欲重奪超算第一的行動(dòng)初見端倪，近日，富士通等研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始對(duì)下一代超算Post-K進(jìn)行原型CPU的實(shí)地測(cè)試，研究者稱，這臺(tái)超算的應(yīng)用性能將是前一代的100倍，達(dá)到百億億次級(jí)，計(jì)劃在2021年推出。

日本計(jì)算機(jī)巨頭富士通（Fujitsu）和日本最大的研究機(jī)構(gòu)理化學(xué)研究所（RIKEN，簡(jiǎn)稱理研）已經(jīng)開始對(duì)下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的原型CPU進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，他們?nèi)蝿?wù)這款CPU將使日本在超級(jí)計(jì)算機(jī)的全球排名中重回領(lǐng)先地位。

這臺(tái)下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)被稱為“Post-K超級(jí)計(jì)算機(jī)”（Post-K supercomputer），是繼兩家合作機(jī)構(gòu)開發(fā)出8 petaflops的“京”超級(jí)計(jì)算機(jī)（K Computer）之后開發(fā)的。“京”自2012年開始在理化學(xué)研究所內(nèi)運(yùn)行，并已經(jīng)升級(jí)到11 petaflops的峰值性能。2014年11月，全部組裝完成后的京LINPACK性能達(dá)到10 PFLOPS（即每秒1京），創(chuàng)下了10.51 PFLOPS的紀(jì)錄。京是首個(gè)達(dá)到10 PFLOPS性能的超算。

富士通在最近的一份新聞稿中稱，他們目標(biāo)是“創(chuàng)造出世界上最高性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，“其應(yīng)用執(zhí)行性能是京超級(jí)計(jì)算機(jī)的100倍”。他們計(jì)劃在2021年前后在屬于政府的理研中心安裝這臺(tái)加強(qiáng)型機(jī)器。

如果他們實(shí)現(xiàn)了這一執(zhí)行速度，那么Post-K超算將進(jìn)入百億億次級(jí)別（exascale），1 exaflops表示每秒一佰京/一億億億（1018）次浮點(diǎn)運(yùn)算。

Post-K超級(jí)計(jì)算機(jī)的原型單元包含2個(gè)Arm8A-SVE水冷CPU

為此，他們用Arm8A-SVE（可伸縮矢量擴(kuò)展）512-bit架構(gòu)取代了京超算的SPARC64 VIIIfx CPU，該架構(gòu)已被增強(qiáng)為超級(jí)計(jì)算機(jī)使用，富士通和理研都參與了開發(fā)。

Post-K超算原型機(jī)的CPU package和CPU內(nèi)存單元

新的設(shè)計(jì)在CPU上運(yùn)行，計(jì)算節(jié)點(diǎn)具有48個(gè)核心和2個(gè)輔助核心，I/O及計(jì)算節(jié)點(diǎn)有48個(gè)核心外加4個(gè)輔助核心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用1個(gè)CPU， 384個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)機(jī)架。

出于戰(zhàn)略原因，富士通和理研都沒有透露Post-K超算的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。但是，位于神戶的理研計(jì)算科學(xué)中心主任松岡聰（Satoshi Matsuoka）說，“這將是世界上最大的Arm系統(tǒng)，事實(shí)上，它可能是世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。”

在系統(tǒng)互連方面，富士通采用了最初為京超算設(shè)計(jì)的Tofu 6D Mesh/Torus 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

松岡聰表示，除了采用新的CPU之外，Post-K在執(zhí)行速度上的提升還來源于其他幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。內(nèi)存帶寬增加了“超過一個(gè)數(shù)量級(jí)”，網(wǎng)絡(luò)帶寬也顯著增加。

此外，富士通還提高了京超算的雙精度運(yùn)算性能。富士通商業(yè)策略和開發(fā)部門的Koji Uchikawa解釋說，為了提高應(yīng)用程序的通用性，它還增加了對(duì)半精度浮點(diǎn)運(yùn)算的支持，這種運(yùn)算可以減少AI等應(yīng)用程序的內(nèi)存負(fù)載，在這些應(yīng)用程序中，低精度是可以接受的。

除了采用Arm指令集架構(gòu)外，富士通還與英國(guó)劍橋的Arm控股公司合作，該公司開發(fā)并授權(quán)Arm技術(shù)，以允許可伸縮矢量擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)新的指令。

此外，富士通還為這款芯片開發(fā)了自己的微架構(gòu)。雖然處理器的指令集架構(gòu)在硬件和軟件之間進(jìn)行接口以向處理器提供指令，但是它沒有定義芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相反，這是微架構(gòu)的工作，因?yàn)樗苯佑绊懱幚砥鞯男阅埽皇客ㄕJ(rèn)為這將是一個(gè)對(duì)它有利的重要差異化因素。

理研和富士通在采用新架構(gòu)時(shí)看到了其他一些優(yōu)勢(shì)，尤其是設(shè)計(jì)本身的節(jié)能特性，比如電源開關(guān)，可以在不需要CPU的時(shí)候降低某些元件的功率。富士通聲稱其耗電量?jī)H為30到40兆瓦，而京超算的耗電量為12.7兆瓦，盡管Post-K的目標(biāo)是在應(yīng)用程序處理速度上相比京超算提高100倍。

富士通和理研都表示，它們也打算利用Arm的大型軟件生態(tài)系統(tǒng)。“我們、富士通和其他合作伙伴將在高端服務(wù)器領(lǐng)域推動(dòng)Arm生態(tài)系統(tǒng)，”理研的松岡聰說。他補(bǔ)充說，這將有助于富士通的商業(yè)成功，因?yàn)椤安粌H可以向外部公司出售他們的系統(tǒng)，還可以出售芯片”。

與此同時(shí)，富士通“將為京超算提供兼容的性能平衡，以便在重新編譯后可以遷移當(dāng)前的應(yīng)用程序。”

最近，在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室新安裝的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit，使美國(guó)重獲超級(jí)計(jì)算機(jī)全球排名的榜首位置，這是六年來的首次。根據(jù)6月份的Top500榜單，Summit取得了122.3 petaflops的性能，中國(guó)的神威·太湖之光以93 petaflops的性能位居第二。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Sierra以71.6 petaflops排名第三。

因此，假如Post-K在2021年前后上線，不過到時(shí)，它將發(fā)現(xiàn)，爭(zhēng)奪領(lǐng)先地位的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比比皆是。比如，中國(guó)的新一代百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河三號(hào)”有望在2020年研制成功，并且其原型機(jī)早已亮相。不過，松岡對(duì)這種比較不屑一顧。“登上榜首不是我們關(guān)心的問題。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序來說，Post-K可能表現(xiàn)出最快的解決時(shí)間和最大的可擴(kuò)展性，因?yàn)樗鼡碛谐錾膬?nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬，以及出色的節(jié)能設(shè)計(jì)。”

毫無疑問，不久之后超算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手將會(huì)煥然一新。