一文深入解析百亿亿次级计算机Exascale Computing

一文深入解析百亿亿次级计算机Exascale Computing

百亿亿次级计算机，也被称为E级超级计算机，是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机，代表了当前超级计算机技术的最高水平，是全球最前沿的科技挑战之一，被公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”。

计算机速度是如何测量的？

科学家衡量计算机性能速度的一种方法是每秒浮点运算次数 (FLOPS)。这些运算是简单的算术，如加法或乘法，涉及包含小数的数字，如 3.5。一个人通常可以在一秒钟内用铅笔和纸解决加法等运算 - 即 1 FLOPS。计算机可以更快地解决这些运算。它们的速度如此之快，以至于科学家使用前缀来谈论速度。

什么是超级计算机？

第一台超级计算机于1964年开发，运行速度为 3,000,000 FLOPS，即 3 megaFLOPS。从那时起，研究团队就一直在竞相打造速度更快的计算机。1996年，计算机突破了万亿次级里程碑，即12个零，当时，美国能源部的英特尔 ASCI Red 超级计算机的测量值为1.06 teraFLOPS。2008年，Roadrunner 超级计算机首次突破千万亿次级里程碑（15个零），记录运行速度为 1.026 petaFLOPS 。

百亿亿次级计算比 ASCI Red 的峰值性能快一百万倍以上。“Exa”表示 18 个零。这意味着其可以执行超过 1,000,000,000,000,000,000 FLOPS 或 1 exaFLOPS。一个人必须在31,688,765,000 年内每秒执行一次加法才能达到百亿亿次级计算机在一秒钟内执行的运算量。

2022 年 5 月，田纳西州橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机运算速度达到1.1 exaFLOPS，成为有史以来第一台百亿亿次级计算机，也是目前世界上速度最快的超级计算机。未来几年，Frontier 的理论峰值可达2 exaFLOPS。

百亿亿次级计算硬件架构是怎么样的？

处理器和核心数量：为了实现百亿亿次的运算速度，计算机内部集成了数量庞大的处理器和计算核心。这些处理器和核心紧密协作，采用高度并行的计算模式。例如，有些百亿亿次级计算机采用异构计算架构，将CPU和GPU或者专用加速芯片相结合。CPU负责通用的控制和逻辑运算，GPU和加速芯片则专注于大规模的数据并行运算，像处理三维图形渲染或者大规模矩阵运算等任务时效率极高。

存储系统：拥有超大规模的高速存储系统。它包括多级存储层次，有高速缓存（Cache）用于暂存最常用的数据，减少处理器访问数据的延迟；还有大容量的主存储器（如DRAM）用于存储正在运行的程序和数据；此外，还有海量的外部存储设备（如磁盘阵列、磁带库等）用于长期保存数据。

互连网络：互连网络就像计算机的“神经系统”，使得数据能够在不同的组件之间快速传递。先进的互连技术可以采用光通信或者高速电信号通信，确保数据传输的高带宽和低延迟，比如采用InfiniBand或者高速以太网技术来实现节点间的通信。

百亿亿次级计算机有什么用途？

借助百亿亿次级计算，内存、存储和计算能力的指数级增长可能会推动多个行业的突破：能源生产、存储、传输、材料科学、重工业、化学设计、人工智能和机器学习、癌症研究和治疗、地震风险评估等等。以下是可能使用的一些领域：

• 气候变化研究：百亿亿次级计算机可用于对气候变化模型进行精确建模，有助于更准确地预测未来气候走势。
• 核聚变研究：在核聚变领域，百亿亿次级计算机能够模拟核聚变反应过程，为新能源开发提供有力支持。
• 加密技术破解：百亿亿次级计算机在密码学领域也具有重要应用，可用于破解复杂的加密算法，保障国家安全。
• 清洁能源：百亿亿次级计算可以帮助开发弹性清洁能源系统。例如，利用百亿亿次级计算开发的新材料可以在极端环境下发挥作用，或者适应水循环的变化。
• 医学研究：百亿亿次级计算可以支持海量数据和复杂环境基因组的分析。它还可以支持癌症研究，分析患者基因、肿瘤基因组、分子模拟等。
• 制造业：使用百亿亿次级计算可以 实现更快、更准确的制造组件建模和仿真，从而加速增材制造的采用。

百亿亿次级计算面临的关键挑战是什么？

百亿亿次级计算机面临一个主要挑战亟待解决，那就是巨大的能源足迹。随着系统达到前所未有的性能水平，功耗也随之飙升，导致成本高昂和环境问题。解决这个问题需要在硬件、软件和基础设施设计方面采用创新方法。

例如，Frontier 所使用的电力，即使是在空闲的时候，也足以供成千上万的家庭使用。简单粗暴地让机器越来越大，可能是不可持续的。随着各个国家积极建造越来越大的超级计算机，工程师们一直在努力提高机器的效率，包括使用一种新的冷却方法。Summit 作为 Frontier 的前身，目前仍在橡树岭国家实验室运行，其总能耗的 10% 用于冷却。相比之下，Frontier 的能耗仅 3% 到 4% 用于冷却。这种改进来自于使用室温下的水来冷却超级计算机，而不是温度较低的冷水。

从节能处理器到液体冷却技术，研究人员正在开发解决方案，以最大限度地提高性能，同时最大限度地减少能源使用。软件优化、高效算法和智能电源管理技术在平衡计算能力和能耗方面发挥着至关重要的作用。

总结和未来

开发一台可用的百亿亿次级计算机“从每个层面来说无疑都是一个巨大的工程挑战。目前，全球多个国家和地区都在积极研发百亿亿次级计算机，美国、中国、欧盟等都已经取得了一定的成果。随着技术的不断进步，百亿亿次级计算机的性能还将不断提升，为各领域的科学研究和技术发展提供更强大的计算支持。百亿亿次级计算机的发展标志着人类在高性能计算技术方面的巨大进步，并将为科学研究和技术创新带来深远影响。

研究人员花了14年时间将超级计算机的速度提高了1000倍，从1 petaflop提高到到1 exaflop。突破下一个大关，即zettaflops或1000 exaflops，需要更长的时间，因为计算机芯片的改进速度正在减缓。目前，还没有一台计算机/处理器能够进行zettaflops 计算，但人们相信它未来会存在，这是基于摩尔定律。如果该定律成立，到 2030 年应该会出现一台具有这种处理能力的计算机。计算机设计专家和分析师认为，要使计算机/处理器达到zettaflops计算能力，必须在设计中实现片上光子通信和忆阻器存储器技术。此外，zettaflops计算的处理器运行时需要大约 400 瓦的功率。