2月10號最新出版的Science雜志發表文章首次披露了美國E級超級計算機A21系統的研制計劃

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在霸占世界超級計算機TOP500排行榜幾十年以后，近幾年美國都一直在追趕中國。美國橡樹嶺國家實驗室正著力研制性能達200 PFlops的Summit超級計算機，有望在今年夏天投入使用，并奪回TOP500榜單冠軍寶座。同時，阿貢國家實驗室計劃提早兩年即在2021年完成美國首臺E級超級計算機A21的建設。各國間攻占E級超算系統的競爭十分激烈，除了美國，中國、日本和歐盟也爭相投入，加快發展，爭奪超算領域的下一個重要的王冠。

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1957年，前蘇聯成功發射人類首顆人造地球衛星Sputnik，開啟了美國和蘇聯長達二十年的太空競賽。今天，美國超算的科研人員也面臨相同的科技競爭，只不過這次的對手是中國。在霸占世界超級計算機TOP500榜單幾十年之后，現在美國在榜單上的成績遠遠落后于中國。中國排名前兩位的超級計算機的計算能力之和，比美國能源部（DOE）運營的21臺超算系統的計算能力總和還要高。

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但現在，美國超算研究人員正在奮起直追。美國橡樹嶺國家實驗室基本完成了超級計算機Summit的研制。該系統有望在今年夏天全面投入使用，計算性能將達到200 PFlops，是目前排名第一神威太湖之光超級計算機的兩倍。更讓人期待的是，本周，E級計算計劃（Exascale Computing Project，ECP）第二屆年會在諾克斯維爾召開，首次詳細介紹了下一代美國超級計算機A21的設計方案，它將于2021年在阿貢國家實驗室研制成功。該計算機是第一臺1000 PFlops（即1 EFLOPS或exascale）超級計算機，有望提前兩年實現E級計劃。

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這臺命名為“A21”的超算系統將由Intel和Cray公司聯合研制，預計將極大增強科學研究領域中的模擬能力，大到星系形成與演化研究，小到燃燒中氣體湍流模擬等。“有了E級超算系統，我們可以進行更多的物理模擬實驗”，新澤西普林斯頓等離子體物理實驗室的物理學家Choong-Seock Chang說，他計劃使用A21來進行聚變反應堆內的等離子體物理模擬。

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根據以下的發展趨勢圖，中國和日本仍有可能首先達到E級系統的研制目標。但是即使中國、日本按計劃完成，超級計算機A21也可以防止美國被他們甩得太遠。美國能源部去年秋季轉變了發展戰略，加快了發展步伐。最初，該機構計劃采用“雙車道”的路線來實現E級發展之路，解決E級超算系統能耗極大等挑戰。E級超算系統的耗電可能與一個小型核電站的發電量相當。

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此前，美國能源部同時資助兩臺超級計算機的研發，作為未來E級系統研發的跳板。兩臺機器分別采取不同的方法來降低能耗。Summit的制造商IBM和NVIDIA專注于將CPU與GPU結合在一起，提高復雜視覺仿真等計算的速度和效率。另一方面，Intel和Cray則致力于增加并行的CPU核數，并實現它們之間的快速互連，原計劃是研制性能達到180 PFlops，名為Aurora的另一臺超級計算機。

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2015年，美國能源部預計Aurora將在今年完成，第一臺美國E級超算系統將在2023年落地。隨后中國宣布了第十三個五年計劃，闡明了2020年底之前實現E級系統的目標。如果那樣的話，美國不僅僅會落后, 而且會越落越遠。

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現在美國能源部、國家核安全局、制造商都面臨E級計算機研發的巨大壓力。能源部決定跳過Aurora，直接開始性能是Aurora五倍的A21的研制。雖然發布時間推遲到2021年，但由于A21是美國第一臺E級超算系統，這意味著美國將比原計劃提前兩年實現E級目標。

有人認為跳過Aurora這個過渡的機器直接研制A21有點冒險，但也有人認為沒有Aurora，也完全可以成功研發E級超算系統。

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目前A21的架構細節仍然嚴格保密。即使是A21的軟件工程師，也要在簽署了保密協議后，才能參加介紹機器架構的研討會議，包括本周的E級計算計劃第二屆年會。

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研究人員說，A21的架構與以往的機器完全不同。其架構設計將著重降低處理器之間的長距離數據傳輸的需求，從而降低系統能耗。新機器功耗大約為25至30兆瓦，僅僅是Summit的兩倍左右。當被問到Intel是否會推出新型處理器結構時，Chang說他完全相信Intel會這么做。

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資金問題是另一個嚴峻的挑戰。美國國會還沒有通過2018年財政預算，而一系列臨時決議的預算僅維持與上年度支出持平，暫時未批準對研制A21機器等新項目提供資金支持。田納西大學的超算專家Jack Dongarra說，短期來說，資金還不會成為障礙，因為美國能源部的E級計算計劃仍然有足夠資金支持相關研究。但是根據Hyperion Research的最新報告，A21計算芯片的研制將馬上啟動，耗資約3到6億美元。勞倫斯伯克利國家實驗室的Horst Simon說，“資金能否在2021年到位？目前還不清楚。”

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從2013年起，中國一直維持著世界最快超級計算機的地位。今年，美國將很有可能憑借Summit重奪世界第一。中國計劃2020年制造出第一臺E級計算機。

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中國E級計算機將動搖Summit世界第一地位

2013年6月，國家超級計算廣州中心的“天河二號”奪冠，使美國在超級計算機排行榜上失去了世界第一的位置。今年夏天，橡樹嶺國家實驗室的Summit將成為世界上最快的超級計算機，有望使美國重新奪回超級計算機TOP500排行榜冠軍位置。

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中國國家高性能計算專家組組長錢德沛教授評論，“我們當然希望可以長期擁有世界第一的機器，但所有人都明白，沒有一個國家能永遠占據第一。”

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在全球超級計算機的研制競賽中，各國一直交替前進。中國在E級計算機研制成功后，有可能重返世界第一的寶座。在國家十三五計劃的支持下，中國預計將在2020年底發布第一臺E級計算機，將比美國計劃2021年發布的A21提早一年。而擁有“K”超級計算機的日本也在研制E級計算機，發布時間可能在2021或2022年。Hyperion Research最新的報告中顯示，歐盟可能在2021年也進入E級計算行列。

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超級計算的國際競爭并不止步于E級計算機的研發。Jack Dongarra介紹道“各國都在爭相加速超算科學與技術的發展，一旦取得一項技術的突破，就馬上投入到下一項的研究中。”中國、美國、日本、歐盟都在科研學科、國防技術、工業技術和計算機產品等廣泛領域不斷投入，加快發展，以期推動技術進步，科學發展，有效增強綜合國力的提升。

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