“比拼浮点运算速度 超算排行榜是这样“算”出来的”

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6月17日，新一期全球超算500强排行榜公布，入选500强的所有超算浮点运算速度突破每秒千亿次，中国超算也位居前四。

一般的计算机以指令运算速度测定计算性能，超计算以浮点运算速度测定性能。 那么什么是浮点运算速度，超级排名为什么要选择浮点运算速度进行比较呢？ 500强，特别是前十的超算，科学家们有没有想过如何让浮点运算的速度越来越快？ 节能环保是超算的另一个衡量指标，超算是节能环保，最新的研究思路和实现战略有哪些？ 6月19日，科技日报记者带着这些问题，拜访了业内相关专家。

测量浮点运算速度超计算性能的基准测试程序之一

“超级计算机被称为‘国家重型机械’，属于国家战术高的技术行业，是世界各国竞相角逐的科技最高点。 目前，高性能计算机行业的市场竞争越来越激烈，美国、欧洲、日本、中国正在加速超级计算机的开发。 ”。 国家超级计算无锡中心主任杨广文说。

“浮点运算速度是指计算机系统每秒可以解决的浮点运算，一般用flops表示。 ”。 江南大学物联网工程学院副院长柴志雷表示，超算排名中之所以参考浮点运算速度，主要是因为超级计算机在科学计算行业使用，而这些行业的计算中主要使用浮点数。

江苏理工学院计算机工程学院副院长范洪辉副教授告诉记者，浮点位置不固定的数量，它们执行的算术运算可能会消耗大量的计算资源，产生误差，因此单位时间的浮点运算次数是衡量超计算性能的基准程序之一。

常州新闻职业技术学院软件与大数据学院钱银中博士介绍，计算机只能记忆和解决整数，是通过乘以整数中基数的整数次方，使计算机表示实数，特别是小数的做法。

“浮点运算能够在操作数大小发生较大变化的情况下实现较高的计算精度，是科学研究中的典型运算。 大多数解决方案都有专用于浮点运算的浮点运算单元( fpu )，flops是浮点运算单元的执行速度。 ”。 钱银说。

中国高性能计算点研发专业组组长、中山大学数据科学与计算机学院院长钱德沛表示，之所以选择浮点运算速度作为超计算能力的评价标准，是因为科学工程计算软件中含有大量浮点运算，浮点运算速度快的计算机一般能够更快地运行相关的科学工程计算软件

细分又多又复杂的事业，超计算界没有最快的只有更快

超级计算机的计算和解决数据的能力很强，速度快，容量大，拥有各种外部和外围设备以及高性能的软件系统。 现有的超级计算机的计算速度每秒可以达到1兆次以上。

常州新闻职业技术学院电子工程学院牛杰博士表示，超级计算机的创新设计在于细分众多复杂的员工，分配到不同的解决方案。 根据安达尔定律，超级计算机的设计集中在减少软件的串行化，用硬件加速瓶颈。

目前，全球排名前十的超算基本上通过优化中央解决方案( cpu )和gpu ( GPU )之间的连接互联网结构，提高了与GPU协作的解决方案的性能，增加了内存容量，增加了存储容量。 通过高速卡等方法提高计算能力，最终在高性能计算系统、互联网架构、系统软件、应用支持等关键技术上取得了突破。

柴志雷认为，提高超级计算机系统的浮点求解能力，不是使浮点运算本身更快，而是从整个系统的角度提高芯片进程，优化系统架构、节点计算性能、节点间通信等， 现在，通过在系统中追加加速器等，得到更高的计算效率的情况也很多。

钱银表示，实现超算的技术有大规模的并行算法，这种方法使多个解决方案一起工作，每个解决方案解决大问题的不同任务。 这种方法有两种实现方法。 一种是网格算法，多个计算机连接到分散的分散结构，属于不同的控制领域，需要计算机时从中选择机器。 另一个是将解决方案组织成关系密切的集群。 现代超计算采用无限带宽系统、三维环面互联等技术，在大规模并行系统中提高集群的速度和灵活性。

国家超计算无锡中心先进制造部部长任虎表示，目前提高浮点运算速度的方法是提高芯片计算核心的时钟频率，增加芯片中的计算核心数量，通过多流水线、乘法融合( fma )等技术，增加解决单位时间浮点运算的能力

例如，曙光星云使用自主开发的超并行解决架构，神威蓝光超计算使用大规模并行解决架构，天河一号使用多阵列可配置的协同并行架构，天河二号使用自制的新型异构多态性架构。 此外，网络、存储、系统软件、应用软件、电源和冷却等系统对超计算性能有重要影响，因此在超计算世界中不是最快的，而是更快的。

绿色500超级计算界能效排名

“节能环保是衡量预算超支的另一个指标。 超计算中心是高性能计算机的规模应用，功率密度高，长时间在高负荷率条件下工作，功耗极高。 虽然通过优化硬件和软件配置可以减少部分功耗，但最根本的来源是开发具有良好计算性能和超低功耗的高性能解决方案。 目前，如何实现低功耗已成为世界科学家研究的热点。 ”。 范洪辉告诉记者。

牛杰表示，超计算界还有一个被称为“绿色500”的排名，是以计算机每单位功耗可提供的计算速度为指标，比较超级计算机能效的排名。

多年来的评估结果表明，刀片式服务器通常比集群服务器更节能，被超级计算系统广泛采用。 green500前三名的系统使用pezy加速器，而前十名的其余系统使用nvidia gpu作为加速器。 其中，pezy系统采用液体冷却方法，即整个系统浸渍在液体中，这比板载空气体和水透过的节能效率更高。

超级计算机7000通过实时确定计算机的热源分布和结构优势，消除所有风扇，并在各机柜中安装淋浴蒸发冷却循环系统，完成了产品的实施。 与传统的空冷水制冷技术相比，该项目具有冷却效率高、温度分布均匀、噪声低、功耗低、可靠性高等优点。

风很冷，中国“神威蓝光”超计算中心，利用多而复杂的水冷系统，夺走了cpu、内存、零件的冷却和热量，几乎不耗水，没有噪音，先进的环保就像三明治，水冷板是两个cpu板的

如何降低超计算的功耗？ 柴志雷认为，低功耗计算也是超级计算机研发的重要方面，需要从芯片制造、架构设计、软件设计多个层面进行大量业务。 例如，在架构设计中，通过增加异种加速单元，可以提高系统的性能比。

范洪辉提出，降低各部件的耗电量，特别是cpu的耗电量很重要。 另外，改进存储设备的设计，减少数据的行驶距离。 将高性能存储器扩展到三维而不是二维的超计算与闪存相结合，可以改变电压和频率等的省电方式。 其次，包括可以模拟大脑中神经元操作的神经形态电路和量子计算模式，可以制造生物计算机和量子计算机等新的计算机。

幸运的是，我国从多方面加大力度，使超级计算机更加节能环保。 例如，获得中国专利奖优秀奖的“基于物联网技术的数据中心动力环境监测系统”使用超低功耗无线数据采集技术、三维建模和虚拟仿真技术、智能分辨率技术等，比较有效地消除了机房内的局部热点，

来源：人民视窗网