中国超算即将达到量子性能

在2021年全球超级计算大会（SC21）上，一支来自中国的团队摘得赫赫有名的戈登贝尔奖，该奖相当于超算领域的诺贝尔奖。该团队的论文“Closing the Quantum Supremacy Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Circuit Using a New Sunway Supercomputer”(缩小量子霸权差距：利用全新神威超级计算机实现随机电路的实时仿真)描述了他们如何使用新型超级计算机来仿真随机量子电路。

事实上，谷歌对其2019年研发出的悬铃木（Sycamore）量子计算机自称“量子霸权”，当时颇受争议，而此次中国团队采用的即为同一测试基准。谷歌曾声称，悬铃木量子计算机在200秒内能完成的计算任务，像顶点（Summit）这样的经典超级计算机需要一万年才能完成。这一说法当时就遭到IBM的批驳，认为真实数字可能只是2.5天。而最新的中国超级计算机结合了中国团队的算法研究，在304秒内就能完成相同的计算任务。看起来量子计算机似乎仍然比经典超级计算机稍胜一筹，但差距无疑在缩小。

据该论文描述，基于神威的超级计算机具有1.2ExaFLOPS的单精度性能。虽然这并没有从官方上证实中国所具备的Exascale性能的传闻（1.2ExaFLOPS为单精度，而“Exascale”这个术语则需要1ExaFLOPS的双精度性能），但这款新型超级计算机似乎确实是世界上最强大的超级计算机之一。尽管它尚未命名，但可以确定，这项研究采用了4190万个神威RISC处理器内核进行计算。

人们都对世界上首个Exascale系统翘首以待，但全球超算排行榜500强HPC基准测试结果显示，前十名几乎没有变化。中国并没有为其基于神威的新型超算系统报名参加评选，而2021年末上线的美国1.5ExaFLOPS系统Frontier（前沿）似乎也还没有准备好（图1）。

在中国新型超算和美国Frontier缺席的情况下，500强榜首仍然是卫冕冠军富岳（Fugaku），这个记录自2020年6月以来就一直保持着。这台日本超级计算机的HPL（高性能Linpack）基准分数为442PFLOPS，是排名第二的超级计算机Summit性能的三倍。

图1：1.5ExaFLOPS的Frontier将成为美国第一个Exascale超算系统。（图片来源：美国橡树岭国家实验室）

事实上，前十名几乎没有变化，唯一的新晋者是排在第十位的微软Azure超级计算机Voyager-EUS2。该系统基于AMD Epyc Rome CPU和英伟达A100 GPU。

本轮值得注意的新晋者还包括四个俄罗斯的超算系统，排名位于19至43名之间。

总体而言，本轮竞赛中，中国进入500强的系统从186个下降到173个，而美国从123个增加到150个。

大会还公布了AI基准测试套件MLPerf HPC的测试结果。这种基准测试专门用来衡量AI性能——AI在科学工作中的占比正变得越来越大。与上一轮提交相比，最佳基准测试结果提高了4至7倍，这表明，新一代超算无论是硬件、软件还是系统规模都有大幅的提升。

除了日本富岳由其基于Arm的CPU提供支持，没有使用加速器之外，其他所有提交都由英伟达的GPU加速器提供支持，具体包括P100、V100和A100。

英伟达还是CosmoFlow和DeepCAM基准测试中的赢家。CosmoFlow被用于根据宇宙学图像数据进行物理量的估计。最佳CosmoFlow测试结果为，采用1024个英伟达A100-SXM4-80GB GPU能够在8.04分钟内完成训练，而富岳则是用512个CPU在114.35分钟内对其进行管理。

DeepCAM被用于在气候仿真数据中识别飓风和大气流。在此，英伟达仍居魁首，这次使用了相同的GPU但数量翻倍，时间为1.67分钟。

美国劳伦斯伯克利国家实验室则跑赢了新的OpenCatalyst基准测试，他们采用了512个40GB版本相同的英伟达GPU，训练时间为111.86分钟。OpenCatalyst主要用于根据图的连通性预测分子构型的能量。提交人表示，将图形网络包含进来非常重要，因为它反映了材料科学和化学工作负载的最新技术水平。其计算特性不同于其他类型的神经网络，因为它们往往具有稀疏性，而且不同的数据集会导致网络具有不同的结构和连接性，这会导致负载的不均衡，从而使负载难以有效地并行。

另外，测试中还引入了新的性能指标——弱缩放模式意味着系统能够同时训练同一模型的多个实例。其目标是要捕获对共享资源（如存储系统和互连）的影响。

就在本届SC21大会之前，部分半导体公司发布了一些重要公告。

大会前不久，AMD推出了首款多裸片GPU。AMD Instinct MI200将包含两个GPU裸片，它们之间通过一种新的2.5D硅桥技术（高架扇出桥，EFB）连接。该公司表示，与嵌入式硅桥架构竞争技术不同，这项技术支持标准的衬底和组装技术。

MI200将是第一款基于AMD第二代CDNA2架构的GPU，该架构针对计算密集型HPC和AI工作负载进行了优化。与去年的第一代产品MI100相比，这款新器件尺寸大1.8 倍，拥有220个计算单元和880个矩阵内核。MI200还将拥有多达8个HBM2e内存堆栈，从而成为第一款具有128GB HBM2e内存的GPU。其内存容量是MI100的4.7倍，内存带宽是MI100的2.7倍。其FP64向量运算峰值性能为 47.9 TFLOPS，FP64矩阵数学峰值性能为95.7 TFLOPS。

据透露，美国首个Exascale超级计算机Frontier就将采用AMD Instinct MI200 GPU。

“当我们去想我们这一代人所面临的最重要的挑战，例如能源转型、气候变化以及克服我们目前所面临的新冠疫情等问题时，Frontier将使我们能够利用由AMD处理器所驱动并提供支持的机器的能力来应对这些重要挑战。”美国橡树岭国家实验室（Frontier的所在地）的实验室主任Thomas Zacharia表示，“这使得MI200成为目前科学家们可利用的最强大的处理器。其单个GPU的性能就比目前美国最快超级计算机顶点的整个节点还要强大。”

Zacharia表示，Frontier将很快上线，并于明年年初提供给科学家。

英伟达首席执行官黄仁勋在英伟达GTC大会开幕主题演讲中透露，该公司将建造一台新的超级计算机 Earth 2，它将成为地球的数字孪生，主要用来仿真和预测气候的变化（图3）。黄仁勋还透露，Earth 2 将全部由英伟达出资开发，其规模将与英伟达内部的Selene超级计算机和用于医学研究的Cambridge-1 UK设备大致相同。他补充说，Earth 2的架构将使其成为“有史以来最节能的超级计算机”，不过，这台超算具体位于何处还待定。

来源：EDN电子技术设计