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文丨孙永杰

近日，国际超算大会发布最新一期的全球超算TOP500榜单，日本超算“富岳”（Fugaku）超越美国“顶峰”（Summit）登顶榜首，在业内引起了强烈反响。这也是日本在阔别8年之后，重返超算TOP500第一。

相较之下，此前曾获第一的中国“神威•太湖之光”和“天河2号A”虽然依然处在前5之列，但在其分别停更4年和7年之后，与排名前三的日本和美国正在拉开差距。

整体发展：追求“机海战术“大而不强，算力效率从旗鼓相当到大幅落后

所谓好汉不提当年勇。但为了客观反映中国超算这几年额发展变化和当下的实际表现，我们以2016年6月的超算TOP500排名作为起点，直到今年6月刚刚公布的最新超算TOP500止，看看中国、美国和日本间在超算领域间竞争的演变。

需要说明的是，我们之所以选择2016年6月超算TOP500排名作为起点，是因为在那一年，中国不仅首次囊括冠、亚军，神威•太湖之光”还是首次采用完全自主芯片（申威SW26010）问鼎，意义非同寻常。同时在总套数上，中国也首次超越美国，远甩日本，可以说，那是中国在超算TOP500中的高光时刻和最高水平。

                                                                   2016年6月超算TOP500前5排名

2016年6月，中国进入TOP500的总套数为167套，市场份额为33.4%，平均每套实际算力为1264326Gflops，平均每套理论算力2198992 Gflops，效率为57.5%。

相比之下，美国进入TOP500的总套数165套，市场份额为33%，平均每套实际算力为1049834 Gflops，平均每套理论算力1493272 Gflops，效率为70%。

日本进入TOP500的总套数为29套，市场份额为5.8%，平均每套实际算力为1344897 Gflops，平均每套理论算力1675728 Gflops，效率为79.7%。

                                           2016年6月超算TOP500按国家划分的系统套数、实际算力等排名

对比结果为，中国进入TOP500的套数与美国旗鼓相当，平均每套实际算力是美国的1.2倍；平均每套理论算力是美国的1.47倍，效率是美国的82.1%，除了效率一项落后外，在重要的实际算力和理论算力上均超越美国。

与日本相比，中国进入TOP500的套数是其5.69倍，平均每套实际算力是其94%，平均每套理论算力是其1.31倍，效率是其72.1%。

由此看，在事关超算真正竞争力的平均每套实际算力、平均每套理论算力以及效率上，中国与美国及日本各有领先，但总体呈现出旗鼓相当的趋势，尤其是与美国相比，在套数接近的情况下，平均每套实际算力和平均每套理论算力均处在领先的位置。

时至2020年6月，中国进入TOP500的总套数为226套，市场份额为45.2%，平均每套实际算力为2502447Gflop，平均每套理论算力5242039Gflop，效率为47.74%。

相比之下，美国进入TOP500的总套数为113套，市场份额22.6%，平均每套实际算力5501377Gflop，平均每套理论算力7825818Gflop，效率为70.3%。

日本进入TOP500的总套数为29套，市场份额5.8%，平均每套实际算力18193362Gflop，平均每套理论算力23846850 Gflop，效率为76.29%。

                                         2020年6月超算TOP500按国家划分的系统套数、实际算力等排名

对比结果为，中国进入TOP500的套数是美国的2倍，平均每套实际算力是美国的45.5%，平均每套理论算力是美国的67%，效率是美国的67.9%。

与日本相比，中国进入TOP500的套数是其7.79倍，平均每套实际算力是其13.75%，平均每套理论算力是其21.98%，效率是其62.58%。

4年后的今天，中国超算在总套数高速增长（相对于美国的减少和日本的不变），在关键性的每套实际算力、平均每套理论算力以及效率上与美国和日本相比，均出现了非对称性的大幅下滑，“大而不强“的趋势相当明显。

核心之争：“神威•太湖之光”和“天河2号A”被超越前后均未更新

如果说前述是我国超算从2016年6月之后的4年间，整体在走提升套数，低效率竞争的模式，那么在代表超算核心竞争力的TOP5中，曾经在2016年6月首次包揽冠、亚军的“神威•太湖之光”和“天河2号A”至今，几乎处在停更的状态。

例如“神威•太湖之光”，在2016年6月首夺超算TOP500冠军之后，直到今年6月最新的超算TOP500榜单发布，没有任何更新。相比之下，“天河2号A”也仅是在2016年6月紧随“神威•太湖之光”拿下超算TOP500亚军2年之后的2018年6月进行了一次更新，其中Rmax从此前的33862.7TFlop/s提升至61444.5TFlop/s；Rpeak则从54902.4 TFlop/s提升至110678.7 TFlop/s。

尽管如此，2018年6月，超算TOP500的榜单中的TOP5还是发生了逆转。“神威•太湖之光”和“天河2号A”保持了2年，4次榜单冠、亚军的位置分别被美国的Summit和Sierra替代。

                                                                       2018年6月超算TOP500前5排名

更让我们不解的是，在被超越之后，本来理应通过更新与美国Summit和Sierra 争位的“神威•太湖之光”和“天河2号A”却迟迟没有更新。

相反，倒是当时位列第三的美国Sierra进行了更新，其Rmax从此前的71610TFlop/s提升至94640TFlop/s；Rpeak则从119193.6TFlop/s提升至125712TFlop/s，从而借此在半年之后，即2018年11月发布的，新的超算TOP500排行中挤掉了排名第二的“神威•太湖之光”。

                                                                  2018年11月超算TOP500前5排名

与Sierra类似，虽然美国的Summit在2018年6月拿下了超算TOP500的冠军，但其仍在一年之后的2019年6月进行了更新，其Rmax从此前的143500TFlop/s提升至148600TFlop/s；Rpeak保持不变，但显然提升了效率。

所谓不进则退。正是由于中国“神威•太湖之光”和“天河2号A“在领先和被超越之后的“不进”与美国落后与领先的“进“，不仅让中国超算丧失了TOP500的霸主和亚军的位置，而且与美国Summit和Sierra的差距越来越大。

与此同时，日本在2012年6月超算TOP500痛失冠军宝座后，也一直在“进“，经过6年的时间（据称2014年开始研发“富岳”），终于在今年6月重回榜首。而且出道即巅峰，其Rmax竟然是排名第二美国Summit的2.8倍，是中国排名第四“神威•太湖之光”的4.48倍。

                                                                    2020年6月超算TOP500前10排名

很显然，在经过4年之后，中国在超算核心TOP5的竞争中，也从领先变成了落后，重要的是落后的幅度还不小。而这和我们在2016年6月夺取超算TOP500冠、亚军之后一直没有更新密切相关。试想一下，如果我们在这4年间有所更新，即便是今天现在的排名，至少也不会存在这么大的差距。

知其然需知所以然：中国核心超算增长的瓶颈在哪里？

按照中国对于超算的重视程度及对于国家的战略意义，对于像“神威•太湖之光”和“天河2号A“主动放弃更新的可能性微乎其微，尤其是在2018年6月双双被美国超越之后。那么究竟是何原因，让中国的超算在4年的时间内基本处在停滞不前的状态？

业内有一种解释是，美国为了限制和阻碍中国超算的发展，分别在2015年和2019年将与中国超算密切相关的企业，例如国家超级计算长沙中心、国家超级计算广州中心、国家超级计算天津中心、国防科技大学（NUDT）、无锡江南计算技术研究所、中科曙光、海光、成都海光集成电路公司、成都海光微电子技术公司等列入“美国出口管制实体清单“，进而确实在某种程度上影响了中国超算的发展。

不过，从国内媒体的相关报道和后来中国超算的表现看，好像并非如此。

例如2015年，美国禁运重点针对的天河2号，虽然该超算升级受到一定延宕，但是在 2017 年还是顺利完成，受到禁运的加速器产品由原来的 Intel Xeon Phi 31S1P 换成了国防科技大学自主研发的 Matrix-2000。升级之后，在计算能力大幅提升的同时，能耗反而从天河2号的 17.8MW 下降到 16.9MW，另外，禁运之后江南计算所研发的“神威•太湖之光“在2016 年6 月份开始领衔全球 TOP500 排行榜，其使用的处理器是咱们的自研芯片—申威 SW26010。

不过在我们看来，既然美国将中国相关超算企业加入了“美国出口管制实体清单“，就肯定会有一定的负面影响，只是在这种负面影响下，我们通过自主努力能够抵消多少和需要多长的时间。

另外一种解释是，中国整体的超算水平并不高，尽管像“神威•太湖之光”拥有自研芯片申威 SW26010。

理由是，根据阿姆达尔定律，处理器并行运算与效率的提升并非线性关系，这意味着，当处理器达到一定数量，对于效率的提升将非常有限。基于此，真正具备实力的超算厂商，基本都是通过优化CPU（中央处理器）与GPU（图形处理器）之间的连接网络结构来提升GPU和协处理器性能，增加内存容量、扩充存储容量、增大网络带宽等，最终在高性能计算系统、网络架构、系统软件、应用支撑等关键技术上取得突破。

基于此，超算是综合技术实力的考量，芯片，尤其是芯片数量并非是惟一关键的因素。

而当我们去看“神威•太湖之光”的配置时，惊奇地发现，在超算TOP500榜单中的TOP5，甚至是TOP10中，其处理器的核心数远远大于其他系统。

例如针对最新发布的超算TOP500排名第一的日本“富岳”，“神威•太湖之光”的核心数是其1.45倍，是排名第二美国Summit和第三Sierra的4.41倍及6.77倍。但其Rmax仅为“富岳”的22%、Summit的62.6%和Sierra的98%。这里需要说明的是，虽然“神威•太湖之光”的Rmax接近排名第三的Sierra，但这是在核心数为其6.77倍的前提下取得的。

对此，有业内人士认为，“神威•太湖之光”在2016年6月超算TOP500夺冠后4年一直没有更新，可能与其为了夺冠，在初期依赖“堆叠”处理器（采用了高达 40,960 个 SW26010处理器）过猛就已经达到了提升效率的阈值，导致后续再通过处理器数量提升超算效率势必遭遇瓶颈有关。也有业内认为，中国超算除了自主芯片外，在诸如网络架构、内存、系统软件等方面与美日仍存差距，毕竟超算是一个系统工程。

综上，我们认为，中国超算与当时的巅峰状态相比，正处在瓶颈，甚至下滑状态，其竞争和发展方式也从质变成量（套数），尤其是作为代表的“神威•太湖之光”和“天河2号A“夺冠后数年的停滞不前，加上此次日本开辟ARM新赛道以绝对领先优势夺冠，这些无不值得我们超算的业内人士居安思危。