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中國超算芯片是怎樣一步步追上英特爾的

2016-02-01

      2015年4月,,美國商務(wù)部決定對中國四家國家超級計算機(jī)中心禁售至強(qiáng)PHI計算卡,,當(dāng)時各種唱衰中國超算的聲音不絕于耳。即便天河2號在2015年國際超級計算機(jī)大會上蟬聯(lián)5連冠,但因使用美國 Intel公司的CPU而飽受一些別有用心之人的詬病,,不少人聲稱沒有美國的CPU,天河2號要完蛋了,。

  現(xiàn)實卻截然相反:

  在ISC2015發(fā)布會上,,國防科大公布天河2A的升級方案,將采用國防科大自主研發(fā)的矩陣2000(GPDSP)替代至強(qiáng)PHI計算卡,。矩陣2000采用40nm制程,,擁有16核,主頻1G,,雙精浮點2.4TFlops,,功耗為200W。

  新年伊始,,從科技部公開的文章中透露出好消息——由上海高性能集成電路設(shè)計中心設(shè)計的國產(chǎn)眾核芯片已達(dá)到世界先進(jìn)水平(美國情報部門對該芯片非 常感興趣,,因此筆者將其稱為國產(chǎn)眾核芯片)。該眾核芯片采用28nm制程,,峰值雙精度浮點運(yùn)算速度超過每秒3萬億次(3TFlops),,完全追平了 Intel第二代XeonPhi(也是Intel最好的眾核芯片)——第二代至強(qiáng)PHI計算卡產(chǎn)品代號“KnightsLanding”,采用了14nm 工藝,,雙精度浮點性能超過3TFlops,,功耗250-300W。

  1月22日,,新華社報道了一則更為振奮人心的消息——中國計劃今年在天津啟動新一代百億億次(百億億次是1000P,,天河2號為55P,若不是記者筆誤,,就真心是黑科技了)超級計算機(jī)的研制規(guī)劃......與此同時,,國防科大正在設(shè)計新一代飛騰芯片。

  由此可見,,美國商務(wù)部的禁售計算卡的行為根本沒有對中國超算發(fā)展起到多大制約作用,。其實,在過去半個世紀(jì)的時間里,,歷史已經(jīng)證明了毛澤東同志的那句話——“封鎖吧,,封鎖十年八年,中國的問題就解決了”,。

  凡是能買到的都很難做出來

  雖然自80年代以來,,中國的計算機(jī)大多沒有中國芯,,即便是天河1號、天河2號這些曾經(jīng)讓中國人揚(yáng)眉吐氣的超級計算機(jī)也基本使用國外芯片,,國產(chǎn)芯片僅用于高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),。

  但在毛澤東時代,中國擁有自己的半導(dǎo)體工業(yè),,掌握了從單晶制備,、設(shè)備制造、集成電路制造的全過程技術(shù),,中國制造的計算機(jī)也都有中國芯,。

  但在80年代奉行“造不如買、買不如租”,、“市場換技術(shù)”后,,中國集成電路產(chǎn)業(yè)遭到毀滅性的打擊——毛澤東時代積累下的家底被敗得精光,技術(shù)人才要么流失到國外,,要么去大學(xué)教書,有的甚至被調(diào)去看守機(jī)房,,毛澤東時代培養(yǎng)起來的技術(shù)人才流失殆盡,。

  在這段時間里,自主技術(shù)被無限貶低,,而洋技術(shù)被過度美化,,“外國專家”更是被奉為上帝,決策者對其缺乏最基本的警惕——很多非常有前途的科研項 目在領(lǐng)導(dǎo)聽取“外國專家”的意見后被否決;不少科研項目更是在“外國專家”的“悉心指導(dǎo)”下被引上了歧路;對“外國專家”索要技術(shù)資料予取予求,,大量寶貴 的自主技術(shù)被“外國專家”竊取后搖身一變成為“洋技術(shù)”,,釀成中國企業(yè)使用自己研發(fā)的技術(shù)依舊要給外商繳納專利費(fèi)的窘境。

  而自主研發(fā)CPU也被進(jìn)口CPU取代,,比如1983年,,浪潮開始采用進(jìn)口Intel8088芯片,而非國產(chǎn)芯片組裝0520微機(jī),,在80年代至 90年代初研制的長城286,、長城386、長城486,、2780機(jī),、太極2220、銀河超級小型機(jī),、HN2730超級小型機(jī)等計算機(jī)均采用國外芯片,。中國 第四代計算機(jī)中的巨型機(jī)代表機(jī)型——“銀河1”巨型計算機(jī)耗資1億元人民幣,但因大量購買國外硬件,,未能對中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)步起到多大積極作用,。

  在“造不如買,、買不如租”理論的指導(dǎo)下,至80年代末,,中國憑自己的技術(shù)已經(jīng)很難生產(chǎn)出一臺計算機(jī)了,。到90年代初,以聯(lián)想為代表的中國計算機(jī)企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)向“貿(mào)工技”路線,,只從事低附加值的微機(jī)組裝,,無力也無心從事芯片研發(fā),國內(nèi)芯片市場徹底落入外資掌控,。

  凡是買不到的都做出來了

  中蘇論戰(zhàn)后,,美蘇同時對中國進(jìn)行技術(shù)封鎖,迫使中國走上獨立自主,、自力更生的發(fā)展道路,。正如赫魯曉夫撤走了蘇聯(lián)援華專家后,逼著中國憑借自己的 能力搞出了“兩彈一星”,。在美國和蘇聯(lián)共同技術(shù)封鎖下,,哈軍工于1962年成功研發(fā)出晶體管,使中國比美國晚8年進(jìn)入晶體管時代,,中國第一臺全晶體管計算 機(jī)441B-I于1964年誕生,,相對于美國于第一臺全晶體管計算機(jī)RCA501晚了6年。1965年,,中國研制出第一塊集成電路,,比美國晚了5年進(jìn)入集 成電路時代。1972年,,中國研制出大規(guī)模集成電路比美國晚4年實現(xiàn)了從中小集成電路發(fā)展到大規(guī)模集成電路的跨越,。

  在中國喪失獨立自主研發(fā)制造計算機(jī)的能力后,美國政府嚴(yán)格限制對中國出口高性能計算機(jī),,除了采購價格高昂外,,還要把計算機(jī)放在透明的玻璃房中,由美國人監(jiān)控,,鑰匙在美國人手中,,每次使用都要向美國人請示,并說明具體用途,,由美國人核準(zhǔn)使用,。

  痛定思痛后,中國重啟高性能計算機(jī)研發(fā)項目,,1992年銀河2誕生,。1993年,曙光1號誕生,曙光1號研制成功后3天,,西方解除對中國高性能 計算機(jī)出口限制,。在堅定了自主發(fā)展超算的決心后,中國超算捷報頻傳——先后自主研發(fā)曙光1000,、曙光2000,、曙光3000、曙光4000,、曙光 5000,、曙光6000、銀河3,、銀河4,、天河1號、天河2號,、神威藍(lán)光等超算,,并逐步形成了天河(國防科大)、神威,、曙光(曙光公司)三大系列超算,。

  與此同時,國產(chǎn)超算的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的國產(chǎn)化也在穩(wěn)步推進(jìn)——天河2號的硬件系統(tǒng)除了高速運(yùn)算系統(tǒng)中采用了Intel的E5和至強(qiáng)PHI之 外,,高速互連通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),、存儲系統(tǒng)(I/O管理結(jié)點和I/O存儲結(jié)點)、維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng),、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計等基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,,在軟件系統(tǒng) 方面,,操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng),、并行程序開發(fā)環(huán)境,、科學(xué)計算可視化系統(tǒng)大多實現(xiàn)國產(chǎn)化。而神威藍(lán)光超算則實現(xiàn)了除冷卻系統(tǒng)之外的軟件和硬件的全國產(chǎn),。

  更為重要的是,,這些超算并非像某些人說的為爭奪世界第一的虛名建設(shè),而是實實在在的用于彈道計算,、核物理研究,、氣候氣象、海洋環(huán)境,、數(shù)值風(fēng)洞,、碰撞仿真、生命科學(xué),、石油物探等科研領(lǐng)域,。另外,,國產(chǎn)超算/高性能計算機(jī)還廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報和影視娛樂,。

  曙光公司的高性能計算機(jī)在中石油,、中石化和中海油勘探計算機(jī)房內(nèi)隨處可見,這些高性能計算機(jī)為工程師提供高精度的采油區(qū)地下構(gòu)造和地質(zhì)信息,。

  “天河-酷卡”云計算渲染平臺使動畫渲染的制作周期由原來的4至6個月縮短到1天,,平均每天同時為8部動漫影視作品提供渲染?!栋⒎策_(dá)》動漫渲染制作耗時1年多完成,,如果用“天河二號”,則僅需1個月時間,。

  隨著霧霾現(xiàn)象越來越受人民關(guān)注,,霧霾天氣預(yù)警預(yù)報已經(jīng)成為“天河一號”的又一項任務(wù)。國家超算天津中心已經(jīng)研發(fā)出霧霾自動化實時預(yù)警預(yù)報系統(tǒng),, 正以河北保定作為試點,,對未來5天霧霾天實時預(yù)報,未來3年內(nèi)逐步建成全國性的霧霾預(yù)警預(yù)報系統(tǒng),。此外,,天河超算還能回溯地球的氣候變遷,“天河一號”可 以模擬2000年前的變化,,“天河二號”則可以模擬到5000年前甚至更遠(yuǎn),。

  中科曙光與大氣物理所等單位共同研發(fā)“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)系統(tǒng),則填補(bǔ)了我國地球系統(tǒng)模式大數(shù)據(jù)實踐平臺的空白,。

  可以說,,超級計算機(jī)為中國的國防、科研,、工業(yè),、經(jīng)濟(jì)等諸多方面做出了巨大貢獻(xiàn)!

  以史為鑒,技術(shù)封鎖其實是件好事,,在信息技術(shù)領(lǐng)域,,建國以來的這段歷史就可說明“凡是能買到的都很難做出來了,凡是買不到的都做出來了”,。因為只要西方技術(shù)封鎖,,國內(nèi)買辦和國外勢力就不可能用“市場換技術(shù)”、“造不如買,、買不如租”的方式來扼殺自主技術(shù),。

  那么,中國的人力物力財力將全部投入到自主技術(shù)的研發(fā)中,輔以中國全世界最齊全的工業(yè)部門和扎實的工業(yè)基礎(chǔ),,加上中國龐大的市場和豐富的資源,,就能做到“封鎖什么,解決什么”,,所以從長期來看,,技術(shù)封鎖是好事。

  中美眾核芯片對比

  在幾年前,,當(dāng)Intel第一代至強(qiáng)PHI上市之時,,國內(nèi)根本就沒有類似的產(chǎn)品,而龍芯,、申威,、飛騰準(zhǔn)備用于超算的多核芯片也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與Intel匹敵:

  飛騰1500,16核,,制程40nm,,1.8G主頻,最大功耗65W,,雙精浮點144G;

  申威1600,,16核,制程65nm,,1.1G主頻,,最大功耗70W,雙精浮點140G;

  申威1610,,16核,,制程40nm,1.6G主頻,,最大功耗50W,,雙精浮點200G;

  龍芯3B1000,8核,,制程65nm,1G主頻,,最大功耗65W,,雙精浮點128G;

  龍芯3B1500,8核,,制程32nm,,1.2G主頻,最大功耗40W,,雙精浮點192G,。

  即便是成績最好的申威1610的理論雙精浮點峰值也只有200G,而Intel第一代至強(qiáng)PHI的理論雙精浮點峰值高達(dá)1T,是申威1610的5倍,。正是因此,,天河2號只能無奈的選擇Intel至強(qiáng)PHI作為其加速器。

  光陰似箭,,時過境遷,,經(jīng)過數(shù)年的臥薪嘗膽,國內(nèi)IC設(shè)計單位的實力與日俱增,,不僅能拿出至強(qiáng)PHI計算卡的替代產(chǎn)品,,而且在性能上絲毫不落下 風(fēng)。國防科大自主研發(fā)的矩陣2000理論雙精浮點峰值達(dá)2.4T,,功耗為200W,,理論雙精浮點峰值達(dá)到第二代至強(qiáng)PHI的80%,性能功耗比略優(yōu)于第二 代至強(qiáng)PHI,。

  如果說矩陣2000是GSDSP,,而非眾核加速器,在性能上也稍遜第二代至強(qiáng)PHI一籌,,那么上海高性能集成電路設(shè)計中心設(shè)計的國產(chǎn)眾核芯片是對美國禁售至強(qiáng)PHI計算卡最有力的回?fù)?,特別是在設(shè)計理念上,國產(chǎn)眾核加速器非常先進(jìn),。

  因采用異構(gòu)計算可以獲得更好的性能功耗比和峰值性能,,目前中美正在建設(shè)的100P超算基本采用異構(gòu)計算,也就是一個計算節(jié)點由CPU+加速器組 成,,比如天河2A號一個計算節(jié)點由2個E5(將來可能會替換成國防科大自主研發(fā)的64核服務(wù)器芯片“火星”)和三個矩陣2000組成,。加速器可以是K80 這樣的GPGPU,也可以是矩陣2000這樣的GPDSP,,還可以是Intel至強(qiáng)PHI,、國產(chǎn)眾核芯片這樣的眾核加速器。

  異構(gòu)計算雖然有很多優(yōu)點,,但也會帶來很多缺點,,比如通用性不夠好,效率不夠高,,編程比較麻煩,,另外,天河2號和美國超算Stampede中的 Intel至強(qiáng)PHI計算卡和E5是不共享內(nèi)存的,,因而需要程序員顯式拷貝,,進(jìn)而造成性能損失。而國產(chǎn)眾核芯片通過設(shè)計理念的革新,,很大程度減輕了上述方 面的負(fù)面影響,,在某些方面甚至徹底避免了性能損失,。

  因此,筆者認(rèn)為,,國產(chǎn)眾核芯雖然因采用28nm制程,,使其在制程上遜色于第二代至強(qiáng)PHI的14nm。但憑借設(shè)計理念的先進(jìn)性,,相對于 Intel第二代至強(qiáng)PHI會有一定優(yōu)勢,。而雙精浮點運(yùn)算峰值高達(dá)3T的性能指標(biāo),使其成為完全不遜色于Intel第二代至強(qiáng)PHI的存在,。

  在中國芯片制造水平不斷提升,,并有望不斷縮短和美國芯片制造水平的情況下,如果Intel不能在超算芯片的設(shè)計理念上有革命性的改進(jìn),,那么被國產(chǎn)眾核芯片的下一代產(chǎn)品超越只是時間問題,。

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