超算：朝百亿亿次挺进

目前，许多团队正在朝着开发一台十进制超级计算机(以下简称为超级计算)的目标前进，但要实现这一目标仍有许多挑战。英国杂志《自然》在最近的一份报告中指出，降低超级计算的能耗非常重要。因此，科学家需要找到另一种方法在发展过程中取得革命性的突破。

竞争发展电子级超编

美国橡树岭国家实验室正在努力开发超级计算机“峰会”。美国能源部希望，当这个2.8亿美元的超级“怪物”在2018年问世时，它将帮助美国重获超级计算“冠军”的头衔。“尖峰”被设计成每秒执行20亿次浮点运算，比世界上最快的计算机快60%。

然而，对于喜欢“到达龙王树”的计算机科学家来说，“高峰”是他们的“龙游”，而以5倍速度运行的数十亿次超级计算(也称为E级超级计算，被誉为“超级计算的下一个皇冠”)是他们的“西蜀”，这意味着他们需要将当前的最大计算性能提高10倍以上。

目前，世界上许多国家都在竞相发展E级超级计算。中国计划在2020年推出第一台E级超级计算机；美国能源部已经启动了“十进制计算项目”，并希望到2021年至少交付一台E级超级计算机，其中一台被命名为“极光”。据报道，美国对下一代超级计算技术研发的总投资将超过4.3亿美元。用美国能源部长里克·佩里(rick perry)的话说，这些基金指的是“全球数十亿系统研发竞争的下一阶段”。此外，欧盟预计将在2022年至2023年间交付首台电子级超级计算机。日本发展电子级超生的“旗舰2020计划”以日本的物理和化学为主，其完成时间也定在2020年。

超级计算之所以受到广泛关注，一方面是因为它反映了各国的综合国力和科技创新能力；另一方面，它也在于它的强大能力。科学家估计，E级超级计算将在气候科学、可再生能源、基因组学、天体物理学、军事和人工智能等领域发挥重要作用，帮助他们解决目前无法解决的难题，如以更高的空间分辨率模拟全球气候变化、模拟宇宙演化和核试验。

降低能耗是一个巨大的挑战。

然而，理想是非常丰富的，现实是非常多骨的。为了发展电子级超级计算，科学家们面临着巨大的挑战，高功耗首当其冲。随着速度和性能要求的不断提高，如果按照现有的设计方法通过增加处理器的数量来开发超级计算，其规模和规模将会越来越大，并且存储器和处理器之间的数据进出所消耗的功率将会越来越大。有人甚至预测，超过90%的电力将用于数据传输。

一些科学家对此提出了警告。2008年，由美国能源部高级研究计划局(DAPRA)的计算机科学家彼得·柯格(Peter Koeger)领导的团队发布了一份报告，称“电力是E级超级计算面临的最大问题”。利用现有技术开发的E级超级计算能力可能高达千兆瓦，需要一个特殊的核电厂为其供电。这种超级计算显然没有什么实用价值。

随着技术的不断进步，科赫公司在2015年将预计发电量降至180兆瓦至425兆瓦之间，但这仍远远超过目前世界领先的中国“神威太湖灯”的15兆瓦发电量。

美国阿尔贡计算、环境和生命科学国家实验室的负责人皮克·斯蒂芬斯(Pique Stephens)表示，许多科学家目前正致力于降低超级计算的能力，近年来出现了许多新兴技术，例如将内存拉近计算器和缩短数据传输距离。让高性能内存扩展到三维而不是二维；超级计算和闪存的结合；不使用芯片时关闭电路；改变电压或频率以节省电力等。

需要一种革命性的方法。

科学家表示，除了上述技术，要真正降低能耗，还需要制造技术的革命性突破。英特尔微处理器技术实验室前主任塞卡尔·博卡说:“增量方法将不再有效。我们需要一种革命性的方法。”

据报道，中国首个电子级超级计算系统的功率将不会超过30兆瓦。法国替代能源和原子能组织的高性能计算专家让-菲利普·诺米尼说，欧洲致力于将第一个超级计算系统的功率保持在10兆瓦以内。

美国“极光”的设计功率为40兆瓦，绝对最大功率为60兆瓦。英特尔公司目前正在为其开发芯片。尽管细节仍不得而知，英特尔公司高性能和数十亿计算的首席架构师阿尔·加拉说，公司目前正在开发一个新平台，包括一个新的芯片微体系结构。然而，目前由中国科技集团曙光公司开发的E级超级计算模型可能采用不同于以前的超级计算方法。

《自然》报告指出，美国一些专家也认为，超级计算的发展方向应该重新考虑，追求峰值计算速度的模式应该改变，实用价值应该得到重视。田纳西大学的计算机科学家、500强的创始人杰克·东格拉说:“速度并不意味着一切。尽管300公里/小时的速度令人惊叹，但大多数汽车的真正价值在于在每日限速内安全可靠地行驶。”

此外，研究人员还在思考如何在未来十年内超越E级超级计算，开发速度更快、性能更好的超级计算。他们认为，下一代超级计算可能需要采用一些当前的“小莲花露出尖角”技术，包括能够模拟大脑中神经元运作的神经形态电路或量子计算。(北京，12月6日，《科技日报》)