美國重奪全球超算第一名！人類實現百億億次E級超算，Frontier屠榜全球Top500

已經霸榜兩年，完成四連霸的日本富嶽終於跌落了「神壇」。

 在剛公佈的2022年全球超算Top500名單中，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的Frontier奪得第一。 憑藉著1.102 Exaflop/s的HPL分數，Frontier不僅是有史以來最強大的超級計算機，它也是第一台真正的「E級超算」。 

 

相較之下，中國的神威·太湖之光和天河二號排名下滑至第六和第九。 去年，美國將神威·太湖之光的處理器供應商申威列入了實體清單，或多或少給中國超算的發展造成了影響。

  

這次Top500的64位元浮點計算總算力為4.4 exaflops，比六個月前的上一期榜單增加了44.7%。

Frontier：突破百億億次

那麼，Frontier的表現到底達到了怎樣「逆天」的程度呢？ ！ 簡單來說，就是把排在它之後的468個超算的算力加起來，都比不過一個Frontier。 

 

除瞭如此炫目的算力之外，Frontier還是全球跑A​​I最快的超級電腦之一。在HPL-AI基準的混合精度效能測試中，Frontier跑出了6.88 ExaFlops的成績。 

用白話來說，這個表現相當於，給一個860億神經元組成的智能體中的每個神經元，每秒鐘都下達6,800萬個指令。 用這個訓練AI大機型，那可真是火箭引擎搭上了一級方程式賽車，可以直接在賽道上起飛。 全新的Frontier佔地372平方米，由74個HPE Cray EX機櫃組成，可容納9,408個節點。 

其中，每個節點有一個AMD Milan 「Trento」 7A53 Epyc CPU，搭配512GB DDR4記憶體和4個AMD Radeon Instinct MI250X GPU。 總的來說，該系統有602,112個CPU核心，與4.6PB的DDR4記憶體連接。 此外，37,888個AMD MI250X GPU具有8,138,240個核心，並搭配了4.6PB的HBM內存（每個GPU有128GB）。 CPU和GPU使用基於乙太網路的HPE Cray Slingshot-11網路結構進行連接。 

 

儲存上則與一個效能極佳的儲存子系統相連，有著700PB的容量，75TB/s的吞吐量和150億IOPS的效能。 元資料層分佈在480個NVMe SSD上，提供10PB的整體容量，而5400個NVMe SSD為主要的高速儲存層提供11.5PB的容量。 同時，47,700個PMR硬碟提供679PB的容量。

 

散熱方面，基於水冷的系統讓6000加侖的水在350馬力的泵在整個系統中「移動」，由此將溫度控制在了85度左右。 直觀來說，這些水泵可以在30分鐘內填滿一個奧林匹克標準游泳池。 Frontier不僅是現在全世界最快的超算，也是最環保的超算。 

Frontier的能耗比，亦居全球超算的環保程度Green500榜單之頭。單一由第三代AMD的Epyc處理器與Instinct MI250x加速器組成的機櫃單元，其能耗效率為每瓦電能運算62.68 gigaflops。 

 

不過，要將Frontier組裝起來可不容易，ORNL必須採購685個不同編號的6000萬個零件。 此外，在建造過程中還得應付晶片的短缺。 

ORNL受影響的零件編號有167個，算下來是200萬個零件。而AMD缺少MI200 GPU的15個編號的零件。 

于是ORNL与ASCR合作，为这些零件获得了国防优先权和分配系统（DPAS）评级，这意味着美国政府可以使用年度的防务预算，用显著高于市场价的更优厚价格来采购这些部件。 很快，「短缺」的问题也就得到了解决。

  

经过这波操作，是不是可以解开很多人心中所谓的「疑惑」了呢？ 美国：为了我们的国防事业，加大力度搞超算！ 

 

虽然这么花钱，但用处不可谓不广。在英伟达老黄这种财主老爷都要做地球数字孪生体的时代，各国官方部门的超级计算机在开发处理庞大数据的AI、模拟气候和产业用途等方面越来越重要。 就算橡树林自己用不完这算力，也可以租、售嘛，工业界对算力可是嗷嗷待哺。 

而且这已有他国先例：在预测机床材料加工结果的实验中，日本DMG森精机床自带工业电脑需要8小时，但富岳只需要10分钟就完成了。 

中国：玩你们的，我就看看

在新一期榜单上，中国和美国仍然是上榜最多的国家。

 在上榜超算数量上，中国仍为173台，和上期持平，继续位列榜首。美国从上期的150台下降到127台，排名次席。尽管如此，这两个国家仍然占了TOP 500榜单总数的60%。 日本、德国、法国分别以34、31、22台位列3-5位。 

 

虽然此次Frontier正式成为世界上最强大的超级计算机，但它还没有与去年被曝光的两个中国超算进行比较。 不过，这两个系统目前都没有向Top500提交测试数据。 

根据爆料的数据，有不少外媒推断Sunway OceanLight（神威·海洋之光）超级计算机在HPL基准上的峰值约为1.3 exaflops/1.05 exaflops，而天河三号则能够达到1.7 exaflops峰值/1.3 exaflops持续值。然而，考虑到美国在芯片上的各种「卡脖子」，中国超算刷榜的后果很有可能就变成了一个制裁的「靶子」，想必短时间内应该不会看到任何有关数据的更新了。

  

上榜数量占比上，中国以34.6%的比例占据榜首，美国以25.4%的比例位列第二，中美争霸的态势依旧。 

 

而在总性能排行榜上，美国的优势仍然不可动摇，以47.3%的总算力牢牢占据首位，不难看出，此次登顶的Frontier为美国稳定霸榜贡献不小。 

 

此外，此次Top 500榜单还统计了自1990年起超算算力的进步趋势，并进行了线性回归。 表中横轴为时间，纵轴为算力（取对数）。 

绿色点为上榜超算的总算力，黄色三角为榜单冠军的算力，蓝色方块为榜单倒数第一（第500名）超算的算力。对应颜色的直线为线性回归的结果。 可以看到，这三条直线大致符合摩尔定律的对算力提升的预测性判断。 都说摩尔定律已死，看起来在超算领域，它还活的很好很健壮。 

欧洲崛起：Top10占据7席

美国并不是唯一取得显著成绩的地区。欧洲也表现良好，从总排名上看，美、中、日占据前3，前十中剩余的七席则全部为欧洲国家占据。 

其中德国上榜31台，法国上榜22台，意大利上榜14台。 芬兰新部署的LUMI超级计算机以151.9 petaflops的FP64性能勉强超过美国的Summit，获得第3名。 

另外，法國GENCI-CINES的Adastra以46.1 petaflops的性能險些奪得第10名。雖然遠不及LUMI強大，但Adastra仍然保持著歐洲第二強大的超級電腦的殊榮。 LUMI和Adastra等系統也說明了另一個趨勢。與Frontier一樣，它們基於HPE的全AMD Cray EX平台，使用第三代Epyc CPU和Instinct GPU。

 

為啥不用GPU加速：還是差錢

長久以來，AMD第一次在Top500中的系統內的主機CPU中佔有代表性的份額，但英特爾至強處理器仍占主導地位。

  

從本世紀初開始，英特爾在高效能運算領域開始發力，只花了幾年時間，就將IBM、惠普等幾家之前的主要玩家排擠得元氣大傷。 從2017年到2020年，英特爾在高效能運算領域達到極盛的市場佔有率一度超過90%。 

直到目前，英特爾的市佔率仍高達77.4%，下降了4.2個百分點，而AMD的市佔則剛好上升了這個數字。預計Epycs會在與Xeon SP的競爭中獲得更大的動力。而且，AMD有後來居上的勢頭。在2022年的全球超算Top500名單中，現在有94台超算依賴AMD的產品，年度成長95%。而AMD的 Instinct MI200 加速器首次被其中7台超算採用。 

另一個問題是，為什麼不用GPU加速器？可能是因為貴？ GPU加速器作為運算引擎，可以提升龐大的效能和性價比，但目前，加速器並沒有在Top500榜單上的超算架構中佔據主導地

#位。這些GPU加速器主要是英偉達的。 但是，除了英偉達自家的HPC中心有大量應用需要移植到GPU上，而且不差錢之外，世界上成千上萬的其他HPC中心還是差錢的，這些HPC的程式碼是明確為CPU編寫的。 

 

目前的Top500名單中，只有170台超算採用了GPU加速器--當然大部分來自英偉達。 另一個因素是，較便宜的CPU本身現在也在陸續增加類似GPU的加速運算功能，例如向量和現在的矩陣運算等。 

這樣就比將CPU程式轉移至GPU運作更省錢，也更容易程式設計。我們可能永遠看不到一個主要由GPU加速系統組成的Top500名單了。 事實上，在「富嶽」、「太湖之光」這樣排名前幾名的超算系統中，CPU基本上扮演了具備向量和矩陣計算型GPU的作用。

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