美国超级计算机重回世界第一，中国掉队了？

《军武次位面》作者：罗夏

这几天有一个新闻让美国人很振奋。5月30日，国际超算大会（ISC）在德国汉堡发布了最新版全球超算TOP500榜单，美国橡树岭国家实验室的新型超级计算机“前沿”（Frontier）以绝对的优势，被评为全世界最快的超级计算机，同时也是全球首台正式发布的每秒浮点运算速度超过百亿亿次的超算（简称“E级超算”）。

“前沿”超级计算机虽然在基准测试中跑出了1.012百亿亿次浮点计算速度的峰值实测性能，但是该系统提供了高达1.69百亿亿次浮点计算速度的性能，在调整之后甚至能跑到2百亿亿次，因此Frontier也成为了世界上第一台官方认可的E级超级计算机。

《纽约时报》在报道中称，“前沿”让美国“在计算速度上重新夺回了令人艳羡的世界第一，对于这项在科学、医学和其他领域发挥重大作用的技术来说，这是一大里程碑。”《日本经济新闻》5月31日表示，“前沿”与2020年6月开始连续4次蝉联全球超算TOP500榜首的日本“富岳”（Linpack基准测试442.01 Petaflop/s）拉开两倍以上的差距。

按照最新的排名，排在第三位的是欧洲高性能计算联合会在芬兰建造的“LUMI”，在排名前十的全球最快超算中，美国占据了5席，而中国仅占有两席，分别是排名第六的“神威·太湖之光”和第九的“天河二号”。

军武菌必须要说一下，量子计算等最新概念目前并没有取得重大突破，距离大规模应用更是遥遥无期，因此，超级计算机仍然是人类能够使用的算力巅峰，而不是什么马上就要过时的落伍科技。

不论是人工智能、生物制药、武器研究，还是天气预报，都离不开超级计算机。比如1992年11月，“银河－Ⅱ”十亿次通用并行巨型机研制成功。“银河－Ⅱ”应用于国家气象中心，建立了中期数字天气预报系统，使我国成为当时世界上少数几个能进行5到7天中长期天气预报的国家之一。

▲天气预报是高科技行业

当然，关于超级计算机并没有非常明确的定义，一般来说，超算都是指那些能够执行一般个人电脑无法处理的高速运算的计算机，只要你能碾压同时代绝大多数计算机，那你就可以叫自己超级计算机。

作为计算机诞生的地方，美国在发展超级计算机方面具有天然优势，1950 年代美国政府开始定期拨款，资助开发前沿的高性能计算机技术以及用于军事应用。20世纪60 年代，IBM 推出了IBM 7030 Stretch，同时Sperry Rand 公开了UNIVAC LARC，这是最早的两台专门的超级计算机，其功能远远超过当时最快的商用电脑。而1964年投入使用的CDC6600被认为是第一台成功的商用超级计算机。

CDC6600一共被生产了150台，在欧美顶级实验室被用于于高能核物理研究。而1965年IBM的System 360大型主机，被美国航天局用于首次载人登月任务。

▲CDC6600超级计算机与系统控制台

而随着计算机技术逐渐被世界各国掌握，对超级计算机的追求也逐渐激烈起来，毕竟世界各国也看到了计算机发挥的巨大作用和潜力，发展超级计算机成为了各个大国的“刚需”。

一直到20世纪90年代，美国在超级计算机的竞争中几乎是一家独大。1976年3月，克雷公司利用仙童公司发明的集成电路研制世界第一台具有流水结构的单向量机超级计算机“Cray-1”，运算速度每秒2.5亿次。1982年克雷公司的Cray X-MP/2，成为世界上第一部并行向量计算机，计算速度突破GigaFLOP/s（每秒十亿次浮点计算）

▲Cray-1

第一个挑战美国的是日本，1990年，日本超级计算机NECSX-3/44R超越Cray系列，打破美国一家独大。这样的突破和日本政府的长期支持密不可分。20世纪80年代，日本政府大规模补贴计算机科研项目，同时推行排除国外竞争的产业政策，到了90年代，日本的士通、日立、NEC等半导体公司取了IBM大型机技术的关键部分，并在本土推出了价格实惠的商用计算机系统。在整个90年代，日本的超级计算机技术发展异常迅速。

日本政府的投入并没有到此为止，1999年，日本投入400亿日元，开始了名为“地球模拟器”的超级计算机的开发计划。2002年4月，“地球模拟器”在接受基准测试时，运算性能达到了35.61 TeraFLOPS（每秒1万亿次的浮点运算），成为世界上最高性能的超级计算机，其实际性能达到了此前世界最高性能的美国IBM「ASCI White」超级计算机的5倍以上。

▲地球模拟器

美国媒体还特意造了一个词“Computenik”，将其与1957年苏联人造卫星 Sputnik造成的冲击相提并论。

1993 年开始，美国田纳西大学、德国曼海姆大学以及美国能源部的伯克利国家实验室，每年都会发布两次全球前 500 的超级计算机排名（TOP500）。从榜单诞生一直到2010年左右，排名第一的位置几乎完全被美国和日本的超算把持。

实际上，如果从时间上来看，中国的计算机技术起步并不算晚。世界上第一台计算机1946年诞生，而1956年，周总理亲自主持制定的《十二年科学技术发展规划》中，就把计算机列为发展科学技术的重点之一，并筹建了中国第一个计算技术研究所——中国科学院计算技术研究所。1958年8月1日，我国第一台数字电子计算机103机诞生。

▲103机

1965年9月，二机部第九研究院理论部副主任于敏，带领研究人员赶赴上海，利用华东计算所刚刚研制成功的J501电子计算机开展突破氢弹原理的研究，这台设备运算速度约为每秒5万次，是当时国内性能最强的计算机。但是70年代，有关研制核武器的研究院向国防科委反映：“没有运算速度达每秒一亿次以上的计算机系统，就搞不出第二代核武器”。

此时刚好碰上中美关系转暖，1976年，美国总统福特意外签发了两台CDC公司的Cyber172型入门级超算对华出口许可。看起来，这两台机器对中国来说简直是雪中送炭，但是美国对这两台计算机的使用进行了严苛的限制：两台超算的计算性能被人为限制，同时只可以用于地质勘探，研制氢弹想都不用想，而且机房的钥匙还由美方人员掌管，使用时需要美方人员审核监督……

▲Cyber172

美国人的机器用不了，中国又与日本日立公司签署协议，购入3台日立M系列大型计算机用于气象预报工作。1978年2月，卡特政府批准了这一出口申请，但是同样要求日本大幅降低这几台机器的性能，并且前三年安排日方人员进行值守，中方的操作必须向日立公司总部提交汇总报告。

和所有的尖端科技一样，想要靠国外进口来满足需求，只能换来一次又一次羞辱，中国下定决心自己搞超级计算机。

1978年3月，邓小平亲自主持巨型计算机研制工作会议，决定研制中国自己的超级计算机。1978年5月，国防科委在北京召开巨型机方案论证和协作会议，决定由国防科技大学承担巨型机研制任务。

接到这个艰巨的任务之后，大学计算机研究所所长慈云桂立下了军令状，“每秒一亿次一次不少（运算速度 1 亿次/秒），6 年时间一天不拖，预算经费一分不超”。

▲慈云桂

当时团队研究冷液技术遇到了困难，不得不采取更加成熟的风冷技术，为了保证计算机的稳定性，团队要对2.5万条绕接线、12万个饶接点和200多万个焊点逐一检查，现在看来简直不可想象。

经过十几个攻关小组“吃在工厂，睡在机房”的不懈努力，慈云桂团队成功实现了要求的运算速度，不仅经费没有超，并且提前一年完成了研制任务。1983年12月26日，中国第一台亿次超级计算机“银河一号”通过国家技术鉴定，中国成为继美国、日本之后，第三个能独立设计和制造超级计算机的国家。

在这一年，美国总统提出了“星球大战”计划，此后，世界各国纷纷调整自己的科技发展规划，苏联制定了“科技进步综合纲领”，日本提出“今后十年科学技术振兴基本政策”，西欧各国联合签订了“尤里卡计划”。在这样的背景下，中国在1986年3月批准施行“863计划”，其中“智能计算机”被单独列为一个主题项目（即 306 主题），“国家智能计算机研究开发中心”（以下简称智能中心）应运而生。

此后，中国的超级计算机发展从探索阶段逐渐步入正轨，国防科大又相继完成银河二号、三号、四号、五号超算的研制。

2006 年，“十一五”863计划设立了 “高效能计算机及网格服务环境” 重大项目，将研制千万亿次高效能计算机列为主要目标之一。天河一号总设计师杨学军说：“超级计算机的发展规律是每10年性能提高1000 倍。2000年的国际先进水平是1万亿次，到2010年肯定会达到千万亿次级。要占领制高点，必须尽快开始研制千万亿次计算机。” 而当时中国最快的超级计算机曙光 4000A，运行速度只有 11.2 万亿次。

2010 年，第二期天河一号A研制成功，以每秒 4700 万亿次的峰值运行速度、2566 万亿次持续运行速度值，第一次在超级计算机 TOP500 榜单中名列第一。

▲“天河一号”国家超算天津中心

2015 年前，国防科技大学、国家超级计算长沙中心、国家超级计算广州中心和国家超级计算天津中心就被美国列入实体清单，禁止向它们出售英特尔芯片，采用英特尔至强处理器的天河二号升级计划被打断。

2016年6月，“天河二号”从排行第一的座位上跌落，只不过接替它的仍然是中国的超级计算机——“神威·太湖之光”。

神威·太湖之光采用的 CPU“申威”，出自无锡江南计算技术研究所。“国家希望能采用另一种技术路线来研制新的超算。新超算从布局之初的思路就是要打造拥有全国产架构、自主可控的软硬件。”国家超级计算无锡中心主任、清华大学教授杨广文表示。

那么从最新的排名来看，中国到底是不是又被美国甩在身后了呢？

在这次排名公布前，英国《金融时报》发布了一篇题为《美国急于在超算竞赛中赶上中国》的报道，称中国已在美国之前实现E级超算，首台E级超算已经运行一年多，只是没有参加排名，“中国企业现在更专注国内竞争，而不是国际对手在做什么”。

《纽约时报》也在报道中表示，在百亿亿次级计算的竞争中，“前沿”比不上中国的两个计算机系统，后者的运营商还没有提交测试结果。也就是说，不是中国排名落后了，而是根本就没有参赛。

而如果从总量上来看，本次“TOP500”榜单中，中国共上榜173台超算，占总数的34.6%，是上榜超算数量最多的国家。而美国从149台上榜超算降到127台，占比为25.4%，排在第三的日本占比为6.8%。

事实上，我们应该关注的不是中国在榜单上的名次或者数量，毕竟从各项数据来看，中国的超级计算机实力都非常强劲，而是应该想办法把这些高端算力物尽其用。

目前，科技部批准建立的国家超级计算中心共有八所，分别是国家超级计算天津中心、国家超级计算广州中心、国家超级计算深圳中心、国家超级计算长沙中心、国家超级计算济南中心、国家超级计算无锡中心、国家超级计算郑州中心、国家超级计算昆山中心。

“天河二号”所在的广州中心2014年落户，2015年该中心的利用率仅为60%，83%是政府机关、高校、科研院所，企业用户只有17%，存在严重的“业务荒”。而另一方面，有些超算中心的计算需求则供不应求，超过30%的客户需要排队等待，各新老中心的利用率不够均衡。

▲国家超算济南中心主任张云泉的看法

如何更好地协调和利用这些高端算力资源，比追求排名要更加重要。“这就好比修建高速公路，前期看高速公路修得怎么样，修好了路之后，更多是要提高利用率。”山东省齐鲁大数据研究院院长朱效民表示。

至于中国超算的技术水平，军武菌觉得，用田纳西大学计算机科学的教授杰克·唐加拉的话来说非常合适——“传言说中国是有些东西的。”