探访“极光”阿贡国家实验室，超算竞赛未来走向如何？

新一代超级计算机的研发竞赛日益激烈。3月美国能源部宣布，美国首个“E级”新一代超算“极光”号2021年将在位于芝加哥的阿贡国家实验室上线。超算保有量位居世界第一的中国将在2020年、日本将在2021年前后上线该级别的新一代机型。在中美高科技主导权之争日益激化的情况下，决定未来国力的超算竞赛的走向受到了各方关注。

E级新一代超算每秒可完成“1E=1百亿亿(10的18次方)”次浮点运算。阿贡国家实验室介绍称，相当于“全球70亿人同时在每秒内每人运算1.5亿次”。

有望成为美国首台E级超算的“极光”由美国能源部拨款5亿美元，委托半导体巨头英特尔公司和超算制造商克雷公司生产，将为航天领域的模拟试验、个性化医疗、太阳能电池研发提供帮助。

文章作者从芝加哥往西南方向驱车约45分钟，访问了即将引入“极光”的阿贡国家实验室。这里环境优美，多座建筑分布在约6平方公里的广阔园区内，仿佛大学的校园一样。正在建设当中的“极光”号专用大楼也映入眼帘。

成立于1946年的阿贡国家实验室是美国能源部下属的17个国家实验室之一，由芝加哥大学运营。世界上首次成功实现可控核裂变的物理学家恩里科·费米创设的“曼哈顿计划”是其起源。

“是美国公民吗?”

经过严格的安检之后车辆才能被放行，在设有传达室的建筑内进行访客登记。也许是为了保密管理，文章作者还被问过“您是美国公民吗?”。顺利拿到入馆证后，文章作者前往计算科学部门的TCS大楼。

前来迎接的研究人员迈克尔·帕普卡留着长长的胡子，让人印象深刻。他担任超算部门ALCF的主任，带文章作者参观了目前正在运行的运算速度世界排名第21的“Mira”。

一进入机房，耳边就传来用于降温的空调系统的巨大声响。48台黑色机柜一字摆开，表面涂着让人联想到太空的鲜艳图案。“Mira”的运算速度为“极光”的100分之1。

帕普卡介绍说，投入高性能超算是当务之急。传统的超算应用范围主要集中在基础科学领域，但近年来增加了AI(人工智能)、数据分析、应用工程领域，需求在迅速扩大，处于供不应求的状态。

美国对新一代超算的研发可追溯到前总统奥巴马执政时期。奥巴马于2015年颁布总统令，制定了国家战略计算计划(NSCI)。在美国能源部、国防部、国家科学基金会的主导下启动了研发计划。随后特朗普政府继承了这一计划，如今能源部下属的3个国家实验室正计划上线超算。在美国国内，各方都在争取成为“美国首家”而展开竞争。

超算全球500强榜单“TOP500”的创设成员、田纳西州大学教授杰克·东加拉(Jack Dongarra)教授透露，在美国，除阿贡国家实验室外，橡树岭国家实验室也计划在2021年上线“前沿”(Frontier)号，承担核试验等任务的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室则计划2022年上线“El Capitan”号，这些均为E级超算。但在研发过程中有可能遇到无法预料的障碍。杰克·东加拉教授指出，“最先登顶的未必就是阿贡国家实验室”。

让我们回顾一下超算的竞赛历史。TOP500榜单每年发布2次，分别在6月和11月公布处理性能的排名。该榜单创设于1993年，至今已过去了四分之一世纪。在创设之初，美国占据了绝对优势，但在过去10年中国迅速发力，确立了优势。

中国国防科学技术大学(NUDT)凭借“天河一号”于2010年11月首次登上榜首。随后一度被美国超越，但2013～2017年的5年间，升级后的“天河二号”和采用国产技术的“神威太湖之光”接连占据榜首，2016年中国首次在超算数量上超过美国。

与此同时，美国在2016年的最高名次降至第3位，2017年11月再降至第5，但随后发起反攻，2018年6月凭借橡树岭国家实验室的“顶点”再次夺回榜首位置。在当年11月的最近一次排名中继续保持第一，美国也在榜单前10中占到了一半。

中国的超算保有量位居第一

美国尽管夺回了性能榜首的位置，但在保有量上远远落后于中国。在TOP500榜单上，中国达到227台，占到总数的45%，而美国只有109台，占比25%，为历史最低。

日本的保有量为31台，在中美之后位列第3。NEC的“地球虚拟器”曾在2002年6月至2004年6月期间占据榜首，随后“京”号也于2011年登上榜首。在截至2018年11月的超算节能排行榜“绿色500”上，日本的“菖蒲”(Shoubu)位居第一，现在正计划2021年前后将E级超算“Post京”上线。

新一代超算正在拓展人类未来的可能性。有望在破解宇宙之迷、遗传基因和人类大脑研究、改变产业界的新材料及新能源开发、国防等领域推动革命性的研究。

超算竞赛的未来会是怎样的走向呢?中国正在制造3台Pre Exascale(达到E级之前的阶段)的原型机，有人预测“最先登顶的很可能是计划在2020年上线的中国。美国恐怕是第二个”。从长远来看，中国的崛起和美国的衰落趋势仍将持续，“中国的优势在不断扩大”。与眼前商业利益没有直接关系的科学话题不容易受到广泛关注，但随着中国静悄悄地扩大优势，特朗普肯定有坐不住的时候。