超级计算机的大脑：我们为什么要自研“申威”处理器？

上篇文章中，我们了解了“神威·太湖之光”曾是世界上最快的超级计算机，代表着中国在算力领域的一次重大突破。但很多人不知道，它的真正核心，不是庞大的机房设备，而是一颗中国“芯”——申威处理器。

一台超级计算机跑得快，并不稀奇；能靠自己造跑得快的芯片，才是真本事。这背后的故事，是中国从“能用超算”到“能造超算”的关键一步。本篇文章，我们就聚焦于这颗中国自主设计的芯片——SW26010。

SW26010芯片

（图片来源：国家超级计算无锡中心）

“超算的大脑”：我国自主研发的申威处理器

申威不是一台机器，而是一种国产高性能处理器的统称。尤其是在“神威·太湖之光”这台超级计算机中，所采用的正是名为SW26010的申威处理器。换句话说，“申威”是“神威”的大脑，是驱动这台超级计算机完成千万亿次运算的计算核心。

这颗芯片是中国自主研发、完全不依赖国外架构授权的处理器，具有以下几个关键特点：每颗SW26010芯片包含260个计算核心，包括256个运算核心和4个管理核心，整个神威系统共搭载了40960颗芯片，总计超过1065万个计算核心。

芯片采用“低频高并行”策略，适合高效执行大规模科学计算任务。“低频高并行”指的是不追求单个处理器核心的高主频，而是通过集成大量低频核心来实现整体计算能力的提升。相比传统的“高频少核”方案，这种方式能显著降低能耗和发热，提升系统的能效比。

SW26010架构以及从核阵列结构逻辑示意图

（图片来源：国家超级计算无锡中心）

SW26010-Pro：升级版“中国芯”

在SW26010的基础上，我国还研发出了SW26010-Pro处理器，它是“神威·太湖之光”后续型号超级计算机所使用的核心芯片。

与SW26010相比，SW26010-Pro在计算性能、存储带宽、能效比、指令集兼容性和编程友好性等方面都有明显提升。W20610-Pro由6个核心组和1个协议处理单元组成，每个核心组包含64个计算处理元素，总计384个内核，而SW26010只有4个核心组，并且每个核心组都有自己的内存控制器，理论带宽达到了307.2GB/s，解决了上一代中某些核心互联与内存访问瓶颈，提升了多核之间的数据传输效率。

此外，它还增强了对异构计算架构的支持，更适配未来大规模并行任务的需求。

我们为什么要自研处理器？

在“神威”使用“申威”的那一刻起，中国迈出了超算领域关键的一步：不再依赖国外芯片，而是走上了自主可控的道路。那么，为什么自研处理器这么重要？原因可以归结为四个层面：

1.避免“卡脖子”风险

曾几何时，中国的超级计算机系统使用的芯片常从国外进口。但在2015年，美国政府限制向中国出口高性能计算芯片，使得“天河二号”升级计划被迫中止。正是这一事件，直接促使“神威·太湖之光”全面转向国产处理器“申威”。自研芯片，不仅是技术能力，更是“算力主权”的保障。

2.满足国家战略需求

超级计算机不只是科研工具，它是涉及国防安全、气候预测、能源开发等多个关键领域的“科技基石”。如果关键芯片依赖进口，一旦被封锁，整个系统将面临瘫痪风险。唯有自主研发处理器，才能确保国家最核心的科研和安全任务顺利进行。

3.节能高效、针对性强

国外通用芯片是为“泛用途”设计的，即采用通用计算架构，旨在适应广泛的、多样化的计算需求，而非专门针对某一特定领域优化。而申威处理器从一开始就专为高性能并行计算优化。它采用大量核心、低频协同的架构，适合大规模科学模拟、复杂工程仿真等任务，在能耗控制和并行效率上具有明显优势。申威并不追求“单核最快”，而是追求“整体最适合超算”。

总之，自研“申威”，不仅仅是为了实现自主可用，更是为了摆脱受制于人的困境，掌握技术发展的主导权。“神威”的超强算力令人惊叹，但更令人自豪的，是“申威”这颗完全自主的“中国芯”。从芯片到整机，从被动使用到自主设计，我们不只是造出了一台超级计算机，更迈出了自主可控、掌握核心技术的坚实一步。真正的算力强国，不仅要跑得快，更要掌握方向盘。

不过，硬件的强大仅仅是起点，真正的价值在于它如何将算力转化为解决实际问题的“超级力量”。这样一台配备自主研发的芯片、具有强大算力的超级计算机，到底有什么具体的用途呢？我们将在下一篇文章揭晓。

参考文献：

[1] 胡怡, 陈道琨, 杨超, 等. 国产 SW26010-Pro 处理器上 3 级 BLAS 函数众核并行优化[J]. 软件学报, 2023, 35(3): 1569-1584.

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会）

监制：中国科普博览