中國超算即將達到量子性能

在2021年全球超級計算大會（SC21）上，一支來自中國的團隊摘得赫赫有名的戈登貝爾獎，該獎相當于超算領域的諾貝爾獎。該團隊的論文“Closing the Quantum Supremacy Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Circuit Using a New Sunway Supercomputer”(縮小量子霸權差距：利用全新神威超級計算機實現(xiàn)隨機電路的實時仿真)描述了他們如何使用新型超級計算機來仿真隨機量子電路。

事實上，谷歌對其2019年研發(fā)出的懸鈴木（Sycamore）量子計算機自稱“量子霸權”，當時頗受爭議，而此次中國團隊采用的即為同一測試基準。谷歌曾聲稱，懸鈴木量子計算機在200秒內能完成的計算任務，像頂點（Summit）這樣的經典超級計算機需要一萬年才能完成。這一說法當時就遭到IBM的批駁，認為真實數(shù)字可能只是2.5天。而最新的中國超級計算機結合了中國團隊的算法研究，在304秒內就能完成相同的計算任務?？雌饋砹孔佑嬎銠C似乎仍然比經典超級計算機稍勝一籌，但差距無疑在縮小。

據(jù)該論文描述，基于神威的超級計算機具有1.2ExaFLOPS的單精度性能。雖然這并沒有從官方上證實中國所具備的Exascale性能的傳聞（1.2ExaFLOPS為單精度，而“Exascale”這個術語則需要1ExaFLOPS的雙精度性能），但這款新型超級計算機似乎確實是世界上最強大的超級計算機之一。盡管它尚未命名，但可以確定，這項研究采用了4190萬個神威RISC處理器內核進行計算。

人們都對世界上首個Exascale系統(tǒng)翹首以待，但全球超算排行榜500強HPC基準測試結果顯示，前十名幾乎沒有變化。中國并沒有為其基于神威的新型超算系統(tǒng)報名參加評選，而2021年末上線的美國1.5ExaFLOPS系統(tǒng)Frontier（前沿）似乎也還沒有準備好（圖1）。

在中國新型超算和美國Frontier缺席的情況下，500強榜首仍然是衛(wèi)冕冠軍富岳（Fugaku），這個記錄自2020年6月以來就一直保持著。這臺日本超級計算機的HPL（高性能Linpack）基準分數(shù)為442PFLOPS，是排名第二的超級計算機Summit性能的三倍。

圖1：1.5ExaFLOPS的Frontier將成為美國第一個Exascale超算系統(tǒng)。（圖片來源：美國橡樹嶺國家實驗室）

事實上，前十名幾乎沒有變化，唯一的新晉者是排在第十位的微軟Azure超級計算機Voyager-EUS2。該系統(tǒng)基于AMD Epyc Rome CPU和英偉達A100 GPU。

本輪值得注意的新晉者還包括四個俄羅斯的超算系統(tǒng)，排名位于19至43名之間。

總體而言，本輪競賽中，中國進入500強的系統(tǒng)從186個下降到173個，而美國從123個增加到150個。

大會還公布了AI基準測試套件MLPerf HPC的測試結果。這種基準測試專門用來衡量AI性能——AI在科學工作中的占比正變得越來越大。與上一輪提交相比，最佳基準測試結果提高了4至7倍，這表明，新一代超算無論是硬件、軟件還是系統(tǒng)規(guī)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，沒有使用加速器之外，其他所有提交都由英偉達的GPU加速器提供支持，具體包括P100、V100和A100。

英偉達還是CosmoFlow和DeepCAM基準測試中的贏家。CosmoFlow被用于根據(jù)宇宙學圖像數(shù)據(jù)進行物理量的估計。最佳CosmoFlow測試結果為，采用1024個英偉達A100-SXM4-80GB GPU能夠在8.04分鐘內完成訓練，而富岳則是用512個CPU在114.35分鐘內對其進行管理。

DeepCAM被用于在氣候仿真數(shù)據(jù)中識別颶風和大氣流。在此，英偉達仍居魁首，這次使用了相同的GPU但數(shù)量翻倍，時間為1.67分鐘。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室則跑贏了新的OpenCatalyst基準測試，他們采用了512個40GB版本相同的英偉達GPU，訓練時間為111.86分鐘。OpenCatalyst主要用于根據(jù)圖的連通性預測分子構型的能量。提交人表示，將圖形網絡包含進來非常重要，因為它反映了材料科學和化學工作負載的最新技術水平。其計算特性不同于其他類型的神經網絡，因為它們往往具有稀疏性，而且不同的數(shù)據(jù)集會導致網絡具有不同的結構和連接性，這會導致負載的不均衡，從而使負載難以有效地并行。

另外，測試中還引入了新的性能指標——弱縮放模式意味著系統(tǒng)能夠同時訓練同一模型的多個實例。其目標是要捕獲對共享資源（如存儲系統(tǒng)和互連）的影響。

就在本屆SC21大會之前，部分半導體公司發(fā)布了一些重要公告。

大會前不久，AMD推出了首款多裸片GPU。AMD Instinct MI200將包含兩個GPU裸片，它們之間通過一種新的2.5D硅橋技術（高架扇出橋，EFB）連接。該公司表示，與嵌入式硅橋架構競爭技術不同，這項技術支持標準的襯底和組裝技術。

MI200將是第一款基于AMD第二代CDNA2架構的GPU，該架構針對計算密集型HPC和AI工作負載進行了優(yōu)化。與去年的第一代產品MI100相比，這款新器件尺寸大1.8 倍，擁有220個計算單元和880個矩陣內核。MI200還將擁有多達8個HBM2e內存堆棧，從而成為第一款具有128GB HBM2e內存的GPU。其內存容量是MI100的4.7倍，內存帶寬是MI100的2.7倍。其FP64向量運算峰值性能為 47.9 TFLOPS，F(xiàn)P64矩陣數(shù)學峰值性能為95.7 TFLOPS。

據(jù)透露，美國首個Exascale超級計算機Frontier就將采用AMD Instinct MI200 GPU。

“當我們去想我們這一代人所面臨的最重要的挑戰(zhàn)，例如能源轉型、氣候變化以及克服我們目前所面臨的新冠疫情等問題時，F(xiàn)rontier將使我們能夠利用由AMD處理器所驅動并提供支持的機器的能力來應對這些重要挑戰(zhàn)。”美國橡樹嶺國家實驗室（Frontier的所在地）的實驗室主任Thomas Zacharia表示，“這使得MI200成為目前科學家們可利用的最強大的處理器。其單個GPU的性能就比目前美國最快超級計算機頂點的整個節(jié)點還要強大?！?/span>

Zacharia表示，F(xiàn)rontier將很快上線，并于明年年初提供給科學家。

英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛在英偉達GTC大會開幕主題演講中透露，該公司將建造一臺新的超級計算機 Earth 2，它將成為地球的數(shù)字孿生，主要用來仿真和預測氣候的變化（圖3）。黃仁勛還透露，Earth 2 將全部由英偉達出資開發(fā)，其規(guī)模將與英偉達內部的Selene超級計算機和用于醫(yī)學研究的Cambridge-1 UK設備大致相同。他補充說，Earth 2的架構將使其成為“有史以來最節(jié)能的超級計算機”，不過，這臺超算具體位于何處還待定。

來源：EDN電子技術設計