解读世界最强超算——太湖之光

雷锋网注：本文作者计算机体系结构博士生，原文发表于知乎，经作者再次编辑后授权发布在雷锋网。ISC2016 公布了中国新一代超级计算机“太湖之光”，取代了天河二号成为Top 500 （超算排行榜）头名。本文依据现有公开资料对太湖之光进行深入分析。

（图片来自新华网）

前几天，我在办公室看到太湖之光的消息，非常振奋，当即就去找导师汇报（因为和笔者研究方向相关）

我：“中国造了一台新超算，100PFlops！”

导师的第一反应是：“功耗多少？”

我：“15MW”

导师：“Holy sh*t!”（卧槽！）

我：“他们没用 Intel 的芯片。”

导师：“oh that makes sense”（怪不得）

我不是黑 Intel，但实在是x86架构的历史包袱太重了，想要实现 性能/功耗比的重大提升，这是一个迈不过去的坎。 我在 如何看待 19 岁少年想做出在目前 Intel 同等计算性能下降低 80% 功耗的全新电路系统芯片？这个回答中就提到过，Rex Computing 的人在做的事之一就是砍掉Cache （缓存），用 Scratch Pad Memory （相当于是手动管理的快速片上内存） 取而代之。而在太湖之光的众核架构中的大量 slave core里面，采用了同样的思路，只保留了instruction cache。

data cache用Scratch Pad Memory代替，避免了众核情况下的cache coherence带来的大量性能和功耗浪费。（Master core 里面有正常的Cache），我觉得这是太湖之光实现高性能/功耗比的一个重要原因。 并且Slave core只支持user mode，于是我猜测它在TLB上面应该也有精简。但目前 SW26010 芯片还没有详细的文档资料，所以这点我也只能猜测。

至于采用众核架构，可以说是大势所趋。所谓众核架构，就是在同一个芯片上集成几十甚至上百个核心，这些核心协同或者独立工作，大大提高系统可执行的线程数，提高并行性，进而提高性能。神威SW26010 每个芯片上有多达260个核心。相似地，美国一些新的超算系统采用了Intel的众核Knights Landing芯片，据说性能也很不错。

图1：SW26010 的众核架构

至于指令集，Jack Dongarra在他的报告里特意强调SW26010 芯片的指令集和 Alpha （美国一家曾经的高性能芯片厂商）的指令集没有关系，所以哪怕神威前几代芯片和Alpha 有渊源，但这次应该真没有。

然后更令我惊喜的是不光系统搭起来跑了Linpack，而且还有三项应用入围了Gordon Bell奖的最终名单 （这个可以说是超算界最厉害的奖了）。充分说明太湖之光已经形成战斗力，可以投入真正的科研应用。

最后我们冷静下来谈一谈不足之处： HPCG的跑分。

为什么HPCG跑分重要？因为它比Linpack更接近真实应用的场景，更能体现出内存系统的瓶颈。Linpack测试的重点是系统的浮点运算能力，也就是我们前面提到的FLOPS（floating operations per second）这个指标。然而实际的应用中，浮点运算快并不代表系统有很好的性能，因为如果想要浮点运算能力得到发挥，首先需要能在短时间内把大量的数据送给需要处理的单元，这对系统的内存和互连网络的性能要求更高。而HPCG的跑分则是一个更接近综合性能的指标。用一个汽车的比喻来讲，Linpack的跑分更像是汽车的百米加速指标，而HPCG更像是到真实的赛道上去跑——这时候就不光是加大马力就能行的了，操控性等其他因素也很重要。

表1：太湖之光，天河二号，以及泰坦（美国）性能对比

由上表可以看出，太湖之光在HPCG的测试下只达到了它0.3%的峰值性能，总的算下来还不如天河二号。说明其在内存和互连网络的性能上存在很大的瓶颈。

结语

虽然太湖之光取得了很好的成绩，可以说是中国超算人的骄傲，但我们还是不能掉以轻心。美国正在大力发展 exa-scale计划 （1000 Pflops，大约是太湖之光的10倍性能) ，计划在2023年拿出性能达到exa-scale，功耗小于20MW 的超算。并且还有3台超过100Pflops的超算正在建设当中 。而我们眼前就有GPU带来的超算变革，DARPA（美国国防前沿研究计划） 也为exa-scale计划投资了不少黑科技的项目， 而且这个太湖之光一出，他们估计跟国会要钱更加容易…… 革命尚未成功，同志仍需努力啊！

注：文中资料图均来自Jack Dongarra 的报告 Report on the Sunway TaihuLight System

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