有人硬要给中国超算找个“美国爹”，殊不知这“爹”已挂了18年！
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有人硬要给中国超算找个“美国爹”，殊不知这“爹”已挂了18年！
日前，“神威太湖之光”取代“天河二号”登上全球超级计算机500强榜单之首，就在国人为此而自豪和骄傲之时，一些不和谐的音符也随之而来——有人认为“神威太湖之光”劳民伤财是形象工程；有人认为，“中国的超算硬件硬，软件却很软，跟不上要求，像天河超算的资源就大量闲置，将来神威也会一样闲置”；还有人认为申威26010存在设计缺陷，或忙着给申威26010“找爹”......但事实上，这些对“神威太湖之光”的抨击，本质上和当年“天河二号”荣登全球超级计算机500强榜单第一位之时，一些社会舆论攻击“天河二号”因使用美国Intel的CPU，是组装货，进而不具备技术含量如出一辙。文︱瞭望智库特约科技观察员铁流 （作为微信公众号 tieliu1988）本文为瞭望智库特约文章，如需转载请在文前注明来源瞭望智库（zhczyj）及作者信息，否则将严格追究法律责任1所谓“软件软”造成超算闲置是伪命题&超算所运行的软件可以分为系统软件、基础软件和应用软件。像系统软件（包括操作系统，集群管理调度系统等），HPC基础软件（并行环境，数学函数库等），这些软件以开源软件为主，由于开源软件性能相对偏低，需要针对国产机器特点进行定制开发和优化，所以国内超算大多数是以开源软件进行定制，比如天河超算的操作系统就是Linux的定制版本，2012年投入运行的神威蓝光超算采用的是神威睿思操作系统，神威睿思操作系统其实也是Linux的定制版本。至于开源软件中，中国程序员的代码贡献比例，那就是另外一个话题了，笔者在《9座大山压着，这个关乎国家安全的命脉一直被别人抓在手里》一文中已有详细阐述，本文不再复述。而应用软件中，既有开源软件，比如用于量子力学的Quantum ESPRESSO、Octopus、ABINIT、CP2K，用于分子动力学的ESPResSOmd、LAMMPS，用于离散格子玻尔兹曼方法的OpenLB......也有商业软件，比如计算流体力学的ANSYS Fluent、ANSYS CFX、Xflow，用于模拟安全碰撞、跌落的LS-DYNA、MSC Nastran (SOL700)、Radioss......在形形色色的应用软件中，工程仿真领域以商业软件多，而且这当中大多是国外软件，这些国外软件不仅价格特别昂贵，而且并行规模受限，有些模块国外是禁运的，有些可以用于军工的软件也严禁出售给中国。笔者做一个总结，中国超算的系统软件、基础软件大多基于开源软件定制，因为是开源软件，而且国内科研单位还进行了修改，完全满足超算的使用需求，也就不存在因为软件水平落后而导致超算闲置的问题。而在应用软件方面，虽然很多商业软件被国外垄断，而且价格昂贵，确实影响了中国超算的应用，但却并非无软件可用。实际上，造成超算计算资源闲置的主要原因是全机计算比较少，鲜有一个大应用占全部资源的情况，以及国家没有给足够运行经费，因而收费贵，很多用户用不起。2天河超算资源闲置与客观事实不符&目前，无论是“天河一号”还是“天河二号”都不存在运算资源闲置的问题——早在2016年1月，新华社就报道过《中国超级计算机“天河一号”满负荷运行》，文章中称，“天河一号”目前已经处于一个满负荷，甚至是超负荷运行的状态，每天在线运行任务超过１４００多项，这是欧美国家级超算中心都很难达到的一个业务规模......截至目前，天津超算中心已经给全国１００多家重要企业提供服务或是形成了深入的合作，阶段性地实现节省企业研发投入上亿元，为企业带来相关经济效益超过２０亿元。不仅“天河一号”处于满负荷状态，“天河二号”的大规模计算资源也不容易申请，必须排队，就连国防科大自己想测试下节点都经常没资源，所谓“天河二号”上利用效率不高也是相对于曾经规划的目的而言的——在原本的计划中，希望将更多的诸如核物理、流体力学等代表超算顶尖水平重大科研课题放在“天河二号”上，但后来在实践中，这个比例比原本计划的低；像金融分析、动漫渲染这类门槛相对偏低的应用，并行度高，很容易占用大量计算资源，因而在计划中没有被看得“比较轻”，没有被列入计划所希望的应用列表中。另外，就客观规律而言，超算使用率是不可能达到100%的——跑计算密集型计算网络会有利用不充分的情况，跑通讯密集型计算处理器也会利用不充分，然后大量计算因为处理问题的特点不能做到负载均衡，加上超算上大多同时跑非常多任务，所以整体来看总是有计算资源空着，虽然在旁观者看来计算资源没有跑满，但其实写代码的人已经在恨计算资源不够了——这也解释了为什么明明现有超算的计算资源没有跑满，全世界却都在追求性能更强的超算。3真正的要害在于编译器和接口&在PC领域，软件生态对自主CPU的商业化推广造成了很大的障碍——龙芯跑不了Windows，和现有的Witnel体系不兼容，因而被扼制。但有些人却将PC领域的情况套用到超算中，认为“神威太湖之光”超算采用了自主众核芯片申威26010就会像龙芯在PC领域一样遭遇生态问题，这其实完全是外行人的杞人忧天——由于“神威太湖之光”建设单位的特殊背景，“神威太湖之光”的主要应用方向基本上是应对特殊领域，而在这些特殊领域，相关的软件代码基本上都是自主开发的，且很多代码都是针对申威进行专门的优化。而且在软件上，编译器加速库等生态系统一应俱全，因此，根本不可能遭遇龙芯在PC领域碰到的软件生态难题。诚然，在民用应用方面，比如金融分析、动漫渲染之类低层次应用，“神威太湖之光”如果要跑这些应用，代码确实要重写或者修改，但对于超算用户来说，其实难度并不大，很多用户自己就能搞定——超算中心只要提供编译器、MPI、任务管理系统、登录系统、文件管理系统就足够了。对于大超算而言，任务管理系统，登录系统，文件管理系统可能要自己定制，甚至是自主开发，不过这些难度并不算大，比如天河二号就是用的自主的MPI和文件系统。很多用户只用超算上原配的GCC、MPI、SSH、PBS，如果要用别的软件，需要用什么，用户自己安装什么，甚至是自己编写，并不需要超算建设和运营者自己劳心费力——只要有了MPI、openmp、cuda和openacc等接口和编译器，科研人员和超算用户可以根据机器的手册编好代码——既可以自己从零开始编写，也可以在通用代码包的基础上修改，大部分情况下没问题。除非遇到存在非定义行为的情况，或是有汇编优化的情况，以及编译不规范的情况——有些新手编程不规范，同样的代码在不同编译器下会跑出不同结果，使用SWCC编译器得出一个结果，使用GCC编译器得出另一个结果......遇到这种情况只能怪程序员代码写得不规范了。总而言之，超算只提供基本的计算环境，只需提供编译器和并行接口就满足几乎所有超算应用的需要了——因为并行接口是开放的，大家都是用的统一标准，所以根本就没有软件落后这一说法，所谓软件落后而导致超算计算资源闲置更是无从谈起。4天河超算曾经遭遇软件问题的根源&当今超算的计算节点要么采用CPU+加速器的方式，要么完全采用相同的CPU。采用CPU+加速器的方式，被称为异构计算。举例来说，以美国泰坦和中国天河2号为例，泰坦有18688个运算节点，每个运算节点由1个16核心AMD Opteron 6274处理器和1个NVIDIA Tesla K20加速器组成，共计299008个运算核心；天河2号有16000个计算节点，每个节点由2片Intel的E5 2692和3片Xeon PHI组成，共使用了32000片Intel的E5 片Xeon PHI；天河1A使用了14336片Intel Xeon X5670处理器和7168片NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡。这些超算的计算节点都采用了CPU+加速器的方式，因而都是采用异构计算超算的典型代表。而完全使用同一块CPU则被称为同构计算。比如，日本超算“京”只采用了富士通制造的SPARC64 VIIIfx处理器，神威蓝光只采用了8704片申威1600，IBM的Mira和Sequoia，就只采用了PowerPC A2处理器，这些都没有采用GPU或众核芯片等加速器。由于在过去，超算大多采用同构计算，因此所有代码都是根据同构计算编写的，而近年来，由于采用异构计算可以获得非常高的性能和性能功耗比，越来越多的超算采用了异构计算方案，这使得过去曾经能用于同构计算的代码无法在采用异构计算的超算上稳定运行，所有代码都必须修改甚至重写（同构超算跑openmp，异构超算跑cuda和openacc），而在“天河一号”、“天河二号”降生之初，就遭遇这个问题，但随着时间的流逝，越来越多的代码完成了移植，天河超算曾经遭遇的软件问题自然迎刃而解。5内存偏小并非申威26010的设计缺陷&上文提到过采用CPU+加速器的方式为异构计算，只采用一种CPU则为同构计算。但申威26010则显得比较特殊，如果用相同类型指令集和体系架构的计算单元组成系统的计算方式来定义同构计算，那么，由于神威太湖之光只采用了申威26010，而且运算核心和管理核心的指令集都相同，也许会被认为是同构计算。但实际上，神威太湖之光双精浮点峰值高达125PFlops，稳定性能为93PFlops，确实是采用加速器才取得的高性能——本质上，申威26010是将CPU和加速器合二为一——申威2个核心分为2种，一种是管理核心，发挥类似CPU的功能，另一种是运算核心，发挥类似加速器的作用，这就使申威26010单芯片能够完成Intel E5+PHI，或Power+Tesla两款产品的功能。而且相对于Intel E5+PHI，或Power+Tesla，申威26010能够实现共享内存，这就避免了Intel E5+PHI，或Power+Tesla必须面对的显式拷贝，从而降低了对内存的压力，并减小了性能损失。想必也是如此，申威26010的缓存和内存都显得偏小，因为访存模型可能非常单纯——等于是放弃现有cpu的复杂内存管理模型，把内存调度的任务完全交给开发者，只在CPU支持一个最简单的访存模型，在硬件上没有cache的硬件一致性要求（Intel KNL将Cache一致性交由硬件负责），将同步的工作交给软件。这种异乎寻常的设计使得申威26010在拥有高性能和低功耗的同时，弥补了自身在内存上的短板。6不要给申威“找爹”&神威太湖之光使用了上海高性能集成电路设计中心设计的国产众核芯片申威26010，该众核芯片主频1.45G，拥有260个核心，双精浮点峰值高达3.06TFlops，在双精浮点上完全追平了Intel最好的超算芯片。正是得益于国产众核芯片申威26010的强悍性能，加上良好的体系结构设计以及互联网络等核心部件，使超算拥有异乎寻常性能指标。每当中国取得技术突破之时，网络上总会冒出一群“找爹党”，本次神威太湖之光超算刷榜也不例外——一些人声称申威26010使用了ARM指令集，一些人将申威26010与&DEC的Alpha联系起来，并将其“认爹”。就事论事来说，申威和ARM完全没有任何关系，在中国获得ARM指令集授权的只有华为海思和国防科大。不过，申威与Alpha却有一定渊源，但血缘关系非常淡薄，稀薄到可以忽略不计，和DEC当年的Alpha已经完全是两回事了（毕竟DEC被康柏收购已经快18年了），有人称之为类Alpha自主指令集，笔者联系过申威的科研人员，他明确表示是自主研发的申威-64自主指令集，相关单位也明确表示与DEC的Alpha无关。请广大网友不要给申威“找爹”，何况这个“爹”已经挂了18年了。7超算性能永远不会过剩&在CPU、操作系统、互联网络等核心部件全名自主化后，一些人以“超算性能过剩论”来指责神威太湖之光超算性能过剩，是面子工程，根本无用。对于“超算性能过剩论”，笔者认为，对性能的追求是永远不会停止的，计算用的代码是可以修改计算精度的，如果有更好的计算条件用户自然会提高网格密度或粒子数目，稍加修改就使计算精度提高了，高的精度可以用来解决更深一层的问题。所以做性能多高的超算都不会性能过剩，做超算从没有够用的说法。正如奥林匹克格言“更快、更高、更强”，超算同样只有不断追求更快。
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　　【鹰眼图说军事 编者按】2014年11月，由中国研制的“天河二号”超级计算机在第44届世界超级计算机500强排行榜中再次位居榜首，成为全球最快的超级计算机。国内媒体用“中国超级计算机登上世界之巅”来描述。当我们从民族自豪感和兴奋喜悦之后回过神来，发现我们面临的问题依然相当严峻，中国的超级计算机还仅仅用于科研、军事等少数几个领域，对工业研究、生产、经济增长带动力较弱，应用程度还远低于美国等发达国家，使用效率不高已经严重阻碍了中国超算的发展。一些媒体认为，单凭一台理论上运算速度峰值的计算机还远不足以令美国陷入所谓的“不安”，中国的超算到底何去何从呢？今天我们就来探讨这个问题。
　　实际上，虽然“天河二号”成功突围，但在整体实力上，中国较超级计算机第一大国美国还有不小的差距。在数量上看，美国拥有全球500强超级计算机中的231个，总数较其它国家和地区的总和还要多，显示出明显的优势。中国大陆共有61个超级计算机进入500强榜单，位居第二。众所周知，芯片是超级计算机不可缺少的技术核心。但现今世界上几乎所有超级计算机使用的芯片都被英特尔（Intel）、AMD和IBM三家公司所垄断。而除了日本和韩国外，其它国家的芯片技术实在与美国有很大差距，即便世界第一的天河2号也只能使用英特尔公司产生的至强处理器。
　　如果说中国的飞机因发动机未能国产而存在心脏病问题，那么中国的超级计算机也同样患有“心脏病”。正是由于使用的“基础元素”几乎都来自这几家美国企业，中国的超级计算机的命脉也就被美国一手掌握。
　　“天河二号”采用了32,000颗因特尔12核Xeon E5主处理器和48,000个Xeon Phi协处理器，共312万个计算核心。而使用中国国产的FT-1500型 16核芯片只有4000多颗，总数仅为全部处理器数量的5%。当然，中国也有纯国产的处理器，但国产处理器在速度和稳定性上都存在差距。如果全部以国产芯片作为核心，“天河二号”所需的芯片数就会更多，制造难度也会更大。所有芯片和技术纯“国产”的“神威蓝光”超级计算机在效能和速度上相比国际先进水平就要差几个档次，甚至不属于超级计算机的第一梯队，这个事实确实让人有点难以接受。
　　不过，芯片“本地化”不足并不是大问题， 中国超级计算机使用“美国芯片”其实也无伤大雅。天河二号”和其它中国超级计算机的硬伤在于实用性，天河一号”超级计算机落户长沙后闲置近一年，让中国的这个“世界第一”多少显得有些尴尬。
　　今年6月，长沙超算湖南大学建设办的技术人员对主机设备进行调试时发现，机房天花板因潮湿发霉、空调冷凝管漏水，不得不停下来重新焊接再测试。湘声报记者来到长沙超算现场，看到施工单位的建设项目经理部门牌还竖在原地，大门并未修建。“0”、“1”数字造型的主机楼（天算台）和研发中心大门紧锁。如果在Top500榜中查看国家类别统计，会注意到中国的超级计算机主要用户是ISP（互联网服务提供商Internet Service Provider），而美国的情况截然不同，它的超级计算机用户分布非常广泛，有能源，汽车，ISP，地理科学，核武器研究实验室等等。
　　其实，用户的分布单一、民用化和商业化不足正是“天河”系列和整个中国的超级计算机行业都存在的问题。而在欧美，超级计算机的应用则要丰富的多，以下几个是欧美超级计算机在应用领域的“明星案例”。IBM的超级计算机“沃森”曾经参加了知识问答节目并战胜人类，它还被送入大学深造以磨练“学习能力”，被花旗银行和医疗机构“雇佣”帮助金融决策和诊断。IBM的“蓝色基因”超级计算机在欧盟十亿欧元的巨资资助下正在尝试复制人类意识。我们需要看到，在美国，超级计算机已经成为科技发展、科学研究、甚至是商业运作的主要工具，而在中国这种应用还相对较少，高大上的超算中心建成之后，往往使不上劲，这个问题值得深思。
　　除了Top500和Graph500，在超算领域还有一个评价效能的榜单的Green500，这个榜单更关注单位能量下的运算能力，目的是看看哪些超级计算机“最划算”。而在这个榜单上，“天河”并未入榜。“天河”耗资上亿美元，耗电量相当于5所高校总和，落户要先由当地供电局做出“后勤”保障。
　　“天河”这种“高速却不划算”的超级计算机其实并不符合如今超级计算机的发展趋势，“现代超级计算机不再仅仅只专注于性能，为了保持商业活力，它们必须注重能效”，IBM深度计算（Deep Computing）的副总裁大卫&塔瑞克（David Turek）曾这样说道。据媒体公开报道，目前，全球最快的超级计算机“天河二号”今年4月开始试运行，迄今服务了全球范围内的120家客户，运用率目前仅是34%。
　　算机对热带风暴气候的模拟研究。事实上，相比许多设立在其他省市的国家级超级计算中心，处于饱和运行状态的“天河1号”是幸运的，因为更多的超算中心正在面临着无相应配套软件，难以充分发挥作用的尴尬。
　　图片为世界排名第二的美国泰坦超级计算机，目前其应用申请需要排队到2017年，这与我国超级计算机长期应用不足形成了鲜明对比。
　　国家超级计算中心难以充分发挥作用的重要原因在于，中国计算机发展在硬件方面得到了政府的有力支持，因而发展迅速。而由于重视和投入不够，与其相应的软件出现了“好马”无“好鞍”现象，所以，一些专家认为软件能力低下是我国超算发展决策中出现的重大漏洞。中国超级计算虽运算能力成功登顶，但驾驭水平没能跟上。“应用软件的研发对超级计算的发展具有举足轻重的地位，其生命周期可持续几十年，而硬件只能维持5年左右。”一位业内人士指出，不同应用软件解决不同的应用问题，是超级计算能力的具体体现。影响中国超级计算能力发挥的关键在于应用软件的缺乏。
　　美国早期超算主要应用于核武器研究。能满足应用的计算机即是最佳计算机。计算机速度越来越高，结构会越来越复杂，软件研发难度也随之提高。美国在计算机发展战略中，软件研究投资金额达到总投资的60％以上。因为软件研究首先需要进行方程研究，弄清边界条件，随后把方程变成离散模式，最后再编写成软件。
　　中国最大的劣势之一是软件开发。中国的研究员说，只有不到10%的超级计算机经费被用于开发应用软件。研究员抱怨说，政府敦促他们建造能够引发媒体轰动的新型超级计算机，而不是专注于超级计算机是否发挥了全部功能。一个生产型软件，需要几十位研究人员同步开展工作，代价很高。这类研究，在国内鲜有科研机构进行，因投入高、短期难见效益。美国在超级计算机上的投入约为中国的六倍。在美国，软件开发预算为硬件预算的约30%。计算机专家说，就算是这个水平也不够。
　　一些外国媒体认为，中国的超级计算机工程没有产生能够创造新产业的技术突破。相反，政府部署这些工程的目的仅仅是帮助国家追上欧美，无论是在医疗保健领域、汽车设计还是航空领域。一些学者认为，把“超级计算机世界第一”当做“强国必备”荣耀的想法已经过时。超级计算机在今天其实早就不是代表大国崛起，提振民族自豪感的东西了。而是实实在在的工具。而对于工具，实用、高效和划算这些才是最重要的特质。今后，中国需要在超算领域尽快加强软件系统和应用能力上狠下功夫，另外，可以更多地向地方企业和其他形式科研单位开放，邀请他们来参与到超算事业中来，更重要的是，超算中心本身千万不要高高在上，画个圈子把自己封闭起来，让人们产生一种高不可攀的印象，工具终究是用来使用的，超级计算机也是一样。
　　有文章指出，中国的超级计算机勇夺速度第一固然可喜可贺，但其实当第二第三也没什么不好。关键是，这些超级计算机能不能像谷歌，亚马逊和皮克斯动画这些公司所使用的超级计算机那样，实实在在的为中国人的生活带来改变，当然，我们相信以中国人的智慧，只要政策得当，做到这点花不了太长的时间，别忘了，中国人从零做到世界第一的超级计算机也没花太多时间。
　　【趣味测试】这是马云在一次面试中出的题目，当时只有一个人答对了：
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