神威太湖之光多少錢（新一代神威E級超算初探）

近日，NextPlatform根據中國并行計算機工程與技術國家研究中心（NRCPC）的一份文件，分析了中國的百億億次（E級）超級計算機三個提案之一的申威HPC架構，以及申威多核混合CPU架構。超算趨勢：更多內核NRCPC對近年來超算系統(tǒng)的發(fā)

近日，NextPlatform根據中國并行計算機工程與技術國家研究中心（NRCPC）的一份文件，分析了中國的百億億次（E級）超級計算機三個提案之一的申威HPC架構，以及申威多核混合CPU架構 。

超算趨勢：更多內核

NRCPC對近年來超算系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了研究，發(fā)現由于摩爾定律和登納德縮放比例定律 (Dennard Scaling)的放慢，在不增加功耗的情況下提高超算的性能變得異常困難，整個系統(tǒng)架構的復雜性會呈指數級增長。從2008年到2019年，頂尖超算的性能有所提高，這主要是由于內核數的增加，多了44倍。比起重新設計復雜的架構，不如擴展現有的架構設計。

申威SW26010：采用混合架構

2016年推出的神威太湖之光超算使用了40960個國產申威SW26010處理器，采用混合架構。該系統(tǒng)的Linpack性能(Rmax)為93,014.6 TFLOPS， (Rpeak)為125,436 TFLOPS。

申威SW26010處理器是基于自主研發(fā)的64位RISC架構，具有4個集群（CG）和一個協議處理單元（PPU）。每個集群有一個MPE(management processing element)， MPE是一個超標量亂序核，具有256位向量引擎、32KB/32KB L1指令/數據緩存、256KB L2緩存。它還集成了64個計算處理元素(CPE)，具有相同的256位向量引擎以及64KB快速數據存儲和16KB指令存儲。CPE以8x8陣列形式組成，使用網狀網絡相互連接。

每個CG都有其自己的DDR3內存控制器，具有自己的地址空間，使用9個內存模塊，8GB內存，實現專有的ECC。CG通過類似于環(huán)形總線的片上網絡（NoC）進行互連，并且處理器本身通過系統(tǒng)互連（SI）總線連接至系統(tǒng)的其余部分。

處理器的工作頻率為1.45GHz，可能采用臺積電28nm工藝制造。整個系統(tǒng)擁有40960個以上的節(jié)點，總計1.25PB內存。

E級超算解決方案：建議擴展一切

從NRCPC的角度來看，可以同時擴展神威系統(tǒng)和申威CPU架構，以構建性能約為1 ExaFLOPS的超級計算機。

新的申威將具備8個CG群集，比原來的4個翻了一倍，CG架構不變，仍然是一個MPE和64個CPE組成。同時CPE和MPE將支持512位向量指令，這樣處理器將提供12 FP64 TFLOPS，也會使處理器數量至少增加一倍，達到80000個以上。下一代的神威超算大約1個FP64 ExaFLOPS，2個FP32 ExaFLOPS以及4個FP16 ExaFLOPS峰值性能。，考慮到效率（70%）問題，實際性能大約是700 PFLOPS，也會比現有的神威太湖之光超算快了7.5倍，內存帶寬會增加7倍，網絡帶寬則增加2倍。

面臨挑戰(zhàn)：需要新工藝

核心數量翻倍意味著需要更多的晶體管，這是一個不可克服的挑戰(zhàn)。由于申威SW26010處理器應該采用了臺積電的28nm工藝制造，新處理器使用14nm工藝制造是很合理的猜想。目前國內只有中芯國際具有14nm工藝節(jié)點的生產能力，但一直都只是生產移動平臺的SoC或者相對較小的芯片，這么復雜處理器還沒試過。如果采用28nm工藝制造，并非不可行，但功耗和散熱方面需要更多地進行處理。

事實上NRCPC的文章里并沒有提及整個系統(tǒng)的功耗目標，目前神威太湖之光超算的功率是15371千瓦，而目前排名第一的Fugaku超算消耗的功率為29899千瓦，約為兩倍。

另一個問題是中芯國際被美國商務部列入了“實體清單”，無論制造需要的化學品或者配件都更難獲取了，會影響代工。當然也可以向臺積電或者三星下單，不過同樣也會面臨被列入“實體清單”的危險，可以說是一個冒險的選擇。

從這點上看，還可以向臺積電下單，使用7nm甚至6nm的工藝制造。

結論：萬事俱備只欠東風

作為國內最早的E級超算計劃，為了在Linpack基準測試中達到1 FP64 ExaFLOPS Rpeak性能，NRCPC將增加其處理器中的核心數量，增加對512位矢量指令的支持。最終結果是處理器的核心數量翻倍，以及使用全新的內存系統(tǒng)對其進行支持，并計劃采用新工藝制造。

國內的工程師已經可以開發(fā)出包括CPU，DRAM，NAND和其他組件在內的尖端超級計算機，但進行中的億億級超算系統(tǒng)計劃仍存在最后的疑問，最終將取決于制造的工藝技術。