1超级计算机都在忙什么
近期，有两则报道让我们的视角再次放在了超级计算机这个焦点上。一则为日本正大力发展高性能计算产业，并预计在2020年研发出百亿亿次超级计算机；另外则是日前披露的IBM“沃森”超级计算机寻觅到了新的工作“客服系统”。
在企业级IT环境中，超级计算机不仅以其“超级”规模和性能著称，而且其背后承担的关键任务也堪称“超级”。超级计算机采用了很多专有的系统设计，并结合最先进的各项技术进行整合，其计算性能往往以万万亿次级别衡量。如此高速运转的超级计算机系统，在人们关注其本身结构和技术特性的同时，其背后所承载的计算任务也成为了一大亮点。
前段时间，IBM研发的Watson（中文名“沃森”）超级计算机又将承担一项新的工作——打造企业全新客服系统，提升企业客户服务与销售能力。其实在此之前，沃森还承担了“人机大战”、医疗顾问、理财顾问等不同角色。这些不同职业分工和角色定位，都对超级计算机提出了严峻考验。
近几年全球超级计算机卫冕冠军概况
在目前最新全球超级计算机性能排行榜，还是以去年11月推出的为主。隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室将美洲虎改装为“泰坦”（Titan）成为世界上运算速度最快的超级计算机，夺取上一届由IBM为美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研发的Sequoia，它每秒能完成1.6亿亿次运算。
截止目前全球top10超级计算机性能排名
在介绍其他全球顶尖超级计算机都在“忙什么”之前，我们先谈谈“沃森”的求职之旅。早在2011年Jeopardy益智问答节目中，这台由数百个芯片组成的超级计算机“沃森”打败两名世界冠军而闻名。随后，它被美国保健服务提供商Wellpoint公司相中，并通过签约部署，为这家保健公司审查医疗服务提供者的医疗请求。再后来，它会被应用于小规模的肿瘤临床实践之中。
“Watson”在益智问答节目中一举夺冠
此外，花旗银行也看中了“沃森”，通过分析用户需求，以书面形式给出相应的投资产品建议。而在近日，“沃森”还将担当起客服系统的“保姆”职责。并通过针对性优化结合 Watson Engagement Advisor系统，不仅能快速准确了解消费者各种疑问，还可以利用云端服务和移动设备，为用户提供经过数据整合分析的各种精准答疑。“客服系统”目前被应用在ANZ、Celcom、IHS、Nielsen及加拿大皇家银行等组织机构。
曙光“星云”高效能超级计算机
我们国家在超级计算机领域发展十分迅猛。比如曙光生产的“星云”，曾经位列世界超级计算机运算速度排名第二（2010年5月），同时也是中国国内第一台、世界第三台实测性能超千万亿次的超级计算机。当然，也有曾经荣登超级计算机榜首且是我国首台千万亿次超级计算机的“天河一号A”（2010年）。
2超算机“泰坦”：效力橡树岭实验室
超级计算机“泰坦”（英文名Titan）是当前超级计算机中性能排名最高的计算机系统。相比上一届TOP500排名第一的“红杉”（Sequoia）超级计算机，计算性能要高出不少。
“泰坦”采用的是基于CPU和GPU异构形式组建的、拥有200个定制化的19英寸机柜和18688个计算节点 的超级计算机系统。单个节点由一个16核AMD Opteron 6274处理器和一个NVIDIA Tesla K20 GPU组成。皓龙处理器总内核数量为299008个；每颗处理器搭配开普勒架构的NVIDIA Tesla K20高性能计算卡，总计有高达18688个GPU。
超级计算机“泰坦”
“泰坦”系统内存每个节点为32GB，总共内存容量为710TB；存储则配备有1万块1TB 7200转2.5英寸 HDD，总容量为10PB。未来，将会升级为部分采用SSD的形式来提升数据传输效率。硬盘容量也有望升级到20PB至30PB。
超级计算机“泰坦”正面图
“泰坦”操作系统Cray Linux Environment基于SUSE 11构造。内部系统采用几十个10Gbps以太网连接，在峰值浮点性能方面，泰坦超过20PFlops，也就是每秒钟运算次数超过2亿亿次。“泰坦”全速运行的时候，需要消耗高达900万瓦特电力，采用480V高电压。
六大关键应用领域
美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）是超级计算机“泰坦”的雇主，其设计和建造师为Cray Inc.公司。“泰坦”的CPU+GPU的设计主要是为了更好的支持边缘科学的发展，其图形处理器超高浮点运算能力有助于推进能源科学、生物系统、材料等领域的模拟分析。
3超级计算机“红杉”：效力LLNL模拟核试验
在超级计算机“泰坦”面世之前，“红杉”（Sequoia）荣登当时全球超级计算机性能排名第一的榜首。目前，该超级计算机以每秒可进行16324万亿次运算屈尊第二。“红杉”超级计算机属于IBM超级计算机中的蓝色基因(Blue Gene)系列，是第一台拥有超过100个处理器的计算机。
超级计算机“红杉”
“红杉”基于Blue Gene/Q设计（蓝色基因还有Blue Gene/P系列），每个处理器芯片集成有16个Power内核。该超级计算机总共有96个机柜，占地面积为3400平方英尺（1平方英尺=0.09290304平方米），1572864个计算内核分布在98304个计算节点上。每个节点提供16GB DDR3，总共有16PB内存。这套超级计算机系统运行起来耗电量为790万瓦，采用水冷方式提供制冷。
水冷提供散热制冷
“红杉”超级计算机目前主要放置在美国美国能源部的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（453号楼），被用于模拟核实验，以延长老化的核武器寿命，减少地下核试验的次数和规模。在今年早些时候，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员通过这台超级计算机，创造了模拟核试验运行速度的新纪录。
超级计算机“红杉”
在介绍“红杉”超级计算机之外，我们有必要提下，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）其实早在 2001年的时候就与IBM建立起了合作，在IBM原有的蓝色基因项目上加以扩展。在2001年，LLNL与IBM建 立了Blue Gene/L超级计算机，在当时能提供15倍性能提升、且体积缩小50-100倍，能耗降低15倍。
Blue Gene/Q计算卡
“红杉”超级计算机结构图解
随后的几年，LLNL与IBM就蓝色基因系列超级计算机一直有合作，并在2009年之前建立起Blue Gene/P 以取代较为落后的Blue Gene/L。不过在目前来看，Blue Gene/P采用的仍然是较为落后的32位PowerPC 450处理器，其主频为850MHz（目前Blue Gene/Q处理器为64位PowerPC A2，主频为1.6GHz）。为了更好的满足实验室模拟实验要求，LLNL与IBM在2009年签署协议，组建能够实现20petaflop计算性能的超级计算机。在这种背景下，“红杉”也就应运而生了。
4超级计算机“京”：助力气象医药行业
在“红杉”之前，排在超级计算机TOP500榜首的为超级计算机“京”（K）。“京”是由富士通与日本理化学研究所共同开发出来的、首次突破每秒万万亿次计算能力的超级计算机。
“京”超级计算机是由代号为“Venus”的SPARC64 VIIIfx处理器所组成的，每个处理器都集成了八个内核，总核数高达705024个内核。该芯片采用45纳米制程工艺，能耗为58瓦，每秒可提供2.2亿次运算。与之前介绍的“泰坦”不同的是，“京”并没有采用图形加速处理器。
超级计算机“京”
“京”采用空气制冷和水冷结合的方式进行冷却散热，通过优化设备内部空气流量来保证提供高性能运算环境。水冷则主要是通过水冷循环管道为处理器和ICC制冷。为了达到加速内部空气流量的目的，系统主板采用倾斜方式安装。
超级计算机“京”所使用的系统主板（范正海 摄）
前段时间，日本文部科学省指出将从明年开始研发“京”的升级版本，从而实现相比当前运算性能提升100倍的目标（EXA级，千兆兆，也就是10^15），并计划在2020年前完成开发。当然，包括欧美以及我们中国在内的国家也在积极研发EXA级超级计算机。
超级计算机“京”
超级计算机“京”目前大部分都是被部署在日本国内各大汽车、医药、节能等行业用户。比如丰田汽车、武田药品工业、竹中工务店等日本国内25家公司和组织机构，利用这台超级计算机“京”实现复杂模拟实验功能，加速工程设计和新药品开发，提升日本产业的技术实力和竞争力。比如在新药品开发中，对几万个新药潜在化合物的筛选一般需要10年以上的时间，而“京”可以有效、快速地予以解决，缩短筛选周期，为新药研发赢得更多时间。
超级计算机“京”单个机柜构造
超级计算机“京”全景图
在与环境技术结合的节能领域，丰田汽车利用“京”模拟发动机内部的燃烧状态，解决难以直观看到的问题。除此之外，“京”也被部署在中国台湾气象局，这也是来自日本超级计算机“京”首次获得的海外订单。由于日本和台湾有着相似的地理环境，在提高地震及海啸等灾害的预测准确度方面有着共同的诉求。未来，超级计算机“京”还将拓展到更多地区、更多行业应用。
5超级计算机“米拉”：效力阿贡国家实验室
Mira（米拉）超级计算机和Titan（泰坦）超级计算机有着相同的血统。它采用IBM第三代“蓝色基因/Q”构建，由美国阿贡国家实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室共同设计而成。
“米拉”超级计算机拥有786432个内核，每秒可进行一亿亿次浮点计算(10 Petaflops)，拥有48个分立式机柜，整个计算机系统能耗为9345KW。“米拉”超级计算机也没有采用CPU+GPU混合架构，而是采用纯CPU——IBM的16核PowerPC A2处理器（和“红杉”超级计算机一致），该处理器支持四路并行多线程，主频为1.6GHz。每个机架拥有1024个计算节点，每个节点对于16GB RAM，拥有384个I/O节点，存储容量为35PB。
超级计算机“米拉”（点击查看大图）
“米拉”在密集线性代数(计算密集型浮点)运算方面能提供超高性能，主要为实验室提供与科学和工程应用高度关联的应用。2014年，“米拉”将全部投入生产应用，每年可为科学家提供超过50亿小时的计算支撑。
超级计算机“米拉”
随着超级计算机性能不断提升，人们也越来越注重其高效节能、实用和可持续性。通过结合创新的新芯片设计和极其高效的水冷却，“米拉”将比蓝色基因/P提升5倍以上的能源效率。“米拉”在Green500名单中排名前五，预示着这也是一套“高能效”的超级计算机。
目前，“米拉”位于美国阿拉贡国家实验室，主要帮助涉及能源生产和存储的化学现象进行数值模拟，通过使用全球云系统应用模型来展开气候模型的研究，也在天文学领域比如黑暗宇宙深处的结构分析，和全球等离子微湍流模拟，等等各类工程科学研究。
6超级计算机Juqueen：德国于利希研究所
超级计算机Juqueen位于德国于利希，同时也是于利希研究所与IBM共同研制的欧洲最快的超级计算机 。
Juqueen采用了蓝色基因/Q架构设计，芯片为16核、主频为1.6GHz的Power，总共拥有393216个计算内核。它在Linpack测试时处理能力可达每秒4.14千万亿次浮点运算。内存总容量为393216GB，功耗为1970KW。
超级计算机“Juqueen”最先组装起来的8个机柜
Juqueen主要应用于天气预报、分子结构分析、探索宇宙起源等项目。在升级前，Juqueen主要由8个机 柜组成，之后升级为24个机柜，并一举领先SuperMUC超级计算机。Juqueen性能功耗比为2Gigaflop/S 每瓦，相比之前的超级计算机能提供5倍的能效提升。其直接采用水冷系统来对处理器热量进行散热， 也成为了其能效提升的一大壮举。
德国超级计算机Juqueen
接着刚才介绍的SuperMUC超级计算机。这是一款采用IBM的iDataPlex架构与英特尔至强E5-2680处理器的超级计算机。处理器主频为2.7GHz，八核心设计，内核总数为147634。支持Infiniband互联，内存最高支持324TB，存储扩容最大为10PB。
超级计算机SuperMUC配置情况简介
架构方面，SuperMUC采用的是Migration System，它拥有18个计算节点群，每个计算节点对应8192个内核。计算节点群和备份系统、存储系统高速互联，从而组成一个峰值计算能力超过3PFLOPS的超级计算机系统。
超级计算机SuperMUC架构一览
SuperMUC操作系统为Suse Linux Enterprise SLES 11 SP2，管理软件则采用IBM的xCAT。最值得关注的还是其创新性才有温水制冷技术——一改传统的16摄氏度入水而该为40摄氏度入水。经过系统吸收热量后排出的水温可达70多摄氏度——这种水还可以进行二次利用，应用在建筑物供暖得场所。
水冷技术展示
超级计算机SuperMUC全景图
SuperMUC强大的运算能力被用于模拟气候事件和人脑运动等复杂运算，气温、地区天气和地理情况以及其他相互作用的因素都要进行计算。此外，它也在帮助找被称为上帝粒子的希格斯玻色子的研究中，贡献了力量，为粒子加速器实验获得的数据进行分析计算并提供卓有价值的报告。慕尼黑大学的“虚拟肺部”项目也是SuperMUC承担的一项重要任务，医学家们希望通过SuperMUC对肺部的空气和血液循环，以及其对5亿个肺泡产生的影响进行模拟。
7“天河一号A”：国家超算天津中心
“天河一号A”超级计算机曾经获得2010年全球超级计算机性能排名第一的殊荣，它也是我国首台千万亿次超级计算机“天河一号”的升级版。“天河一号A”由国防科学技术大学研制，基于英特尔至强X5670六核芯片（2.93GHz主频）和NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡以及2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器构建。
该超级计算机峰值性能为2566万亿次。内核数量总共为186368个，功耗设计4040KW，内存最大容量为262TB，链路双向通信带宽达到160Gbps。共享磁盘总容量2PB，Lustre全局分布共享并行I/O结构。“ 天河一号A”在原来的基础上，从113个机柜增加至140个（计算机柜112个，服务机柜8个、通信机柜6个、I/O存储机柜14个）。
超级计算机“天河一号A”
“天河一号A”众多CPU、GPU的计算性能，主要还是通过国产自主研发设计的各类板卡和芯片来实现高速互联。这种芯片和高速互联技术，有助于CPU+GPU计算性能实现进一步提升。
“天河一号A”高速互连交换板SWM
“天河一号A”目前还是作为国家超级计算天津中心的业务主机，为石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、卫星遥感、基础科学理论计算等领域内的大规模计算提供服务。承担国家多种基础性科学研究气象预报与预测、数字媒体和动漫渲染、高端装备制造等科研任务。
“天河一号A”计算节点
以上就是我们重点介绍的当前最为顶级的八大超级计算机的基本情况。通过以上内容的介绍，我们也不难发现，这些超级计算机都采用了数量庞大的处理器（CPU或GPU），并通过高速互联芯片和系统软件、通信器件的协调，实现高效率计算资源整合，充分发挥性能合力，满足各种科学研究和应用模拟分析的需要。
一方面，超级计算机体现的更多是如何将数量庞大的关键部件进行集群化整合的技术实力，而这也恰恰是体现各个国家在超级计算机领域实力的精髓所在，加之基于超级计算机系统上的操作系统和管理软件、测试、模拟应用工具的开发和应用，也进一步体现了基于超算行业的生态链发展水平。
IBM超级计算机“沃森”
另一方面，随着科学的发展，对世界认识和探索的视野也在不断拓展。在这过程中，人类对气象、地球环境、天文系统、生命科技、新型材料以及应对未来信息化社会发展带来的各种挑战，等等，也不断促进超级计算机更新换代（每年超级计算机性能TOP500排名即可体现）。不过，随着社会多样化发展，未来超级计算机将不断提升性能的同时，也会出现更多扮演“客服系统”的智能化角色。尤其是在医疗、金融、能源、商业、电信和教育等领域，将会提供更多“岗位”给超级计算机。
