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超算神威太湖之光操作系统揭秘：基于Linux，十年磨砺
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世界第一超级计算机神威太湖之光亮相之后，令世界瞩目。这款超级计算机由中国自主研发，处理器采用64位国产260核CPU申威SW26010，性能几乎是天河2号的三倍，但总功耗反而更低。
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陈左宁院士解密“神威·太湖之光”超级计算机
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（原标题：陈左宁院士解密“神威·太湖之光”超级计算机）
摘要：新一期全球超级计算机500强榜单6月20日在德国公布，完全基于中国设计、制造的“神威·太湖之光”取代“天河二号”登上榜首，成为“新科”世界最快计
算机。而这距离2015年4月，美国宣布对我国四家单位实施高性能计算芯片禁运，仅仅1年零2个月。“核心技术是买不来的。”中国工程院副院长、中国工程
院院士陈左宁6月23日接受《中国科学报》专访时说，“中国自主芯片首次成为全球最快超级计算机 神威·太湖之光 的心脏，成功地打破了美国的封锁，证明
中国人完全有能力用自己的处理器构建世界最高性能的超级计算机。”《中国科学报》：我国具有自主知识产权的申威26010问世，其峰值速度和能效比达到国际领先水平。具体来说，这颗“中国芯”有哪些优势？陈左宁：申威26010在众核处理器体系结构方面有重大原始创新，引领了高性能处理器发展潮流。申威众核处理器采用片上融合异构众核架构，现在以GPU、MIC搭建的超级计算机系统，众核处理器需要联合多核处理器工作，带来了额外的功耗和通信开销，使用也更为复杂。对比美、日等国的E级计算机研发计划，国外同行未来将采用的处理器技术路线与我们的思路非常接近，但到2018年左右才能走到真正的异构融合架构。此外，申威26010采用全自主指令系统。指令系统是处理器与系统软件之间的桥梁，是处理器研发最核心的基础。国外经过几十年发展和积累，在处理器指令系统方面已形成严密的知识产权保护，国产处理器研发只有打破国外知识产权的壁垒，开发自主的指令系统。基于申威指令系统开发的神威睿智编译器及其工具链，形成了完备的国产自主指令系统技术体系，有效支撑了国产处理器可持续发展的自主可控和安全可靠。作为国际首款万亿次异构众核处理器，单芯片集成260个核心，峰值性能和能效比等主要指标国际领先，标志着我国自主设计的处理器在高性能计算领域取得重大突破。《中国科学报》：“神威·太湖之光”的配套操作系统是自主研发的神威睿思操作系统。该操作系统有何优势？陈左宁：神威睿思操作系统是基于Linux开源代码开发，已有10多年历史，主要面向高性能领域和通用计算领域。在高性能领域，神威睿思操作系统级突破了超级计算机千万级处理器核心的可扩展管理和并行运行控制，犹如操作系统指挥千军万马协同作战，实现了异构众核的高效、统一管理。系统具有很强的系统级容错功能，可以支持处理器核心级、核组级和芯片级的容错，实现了神威太湖之光超级计算机软硬件系统的高效可扩展、稳定、可靠运行。在通用计算领域，神威睿思操作系统的主要优势在于自主可控度高和安全性强等方面。我们对Linux系统内核进行了全面的剖析，进行了安全性增强和特殊改造，结合申威处理器自主指令系统特点和国产处理器新增安全特性，极大提升了基础硬件平台和核心软件系统的安全性。《中国科学报》：“神威·太湖之光”目前有哪些应用？未来又有怎样的发展前景？陈左宁：“神威·太湖之光”投入使用以来，先后完成了清华大学、北京大学、中科院等30多家单位50多项课题的大规模计算，涉及天气气候、航空航天、船舶工程、海洋环境、石油物探、生物信息、药物设计、电磁仿真、动漫渲染、核物理、新能源、新材料等十多个重要领域，实现了数百万核的超大规模并行，其成果对国计民生、科技进步都将产生重大影响。基于“神威·太湖之光”的3项应用，已入围国际高性能计算应用领域最高奖——戈登贝尔奖提名，分别涉及大气、海洋和材料领域。这不仅是中国团队首次入围，更是占据了全部入围数量的半壁江山，打破了西方发达国家的垄断，证明“神威·太湖之光”非常适合挑战性应用，同时也说明中国不仅能够造好的计算机，也能用好计算机，在应用方面达到了国际先进水平。支持运行应用的结果表明，“神威·太湖之光”超级计算机运行稳定，高效可靠。未来的重点将围绕基于“神威·太湖之光”的应用开发，比如：瞄准世界前沿科学研究和国家战略需求，提供超级计算支撑服务；针对行业重大应用需求和企业重大目标进行产品开发，提供应用计算服务；依托“神威·太湖之光”超强的计算能力，建立产业创新中心，研发并行软件，支持苏南制造，实现江苏省制造业的快速升级转型。《中国科学报》：将来，“神威·太湖之光”的芯片和操作系统有哪些市场应用的可能性？陈左宁：申威众核处理器设计的集群和服务器，已应用于航空航天、天气气象、生物信息、材料科学、船舶工程、计算化学等十多个领域并取得良好的效果。
从当前业界发展来看，众核处理器已经在超级计算领域占据了权重的位置，并成为未来构建E级计算的主要技术途径，其应用平台尚处于推进阶段。随着申威26010众核处理器的软硬件生态系统不断成熟，更加多样化的平台会满足不同类型用户的需求，培养更加宏大的客户群体，必将在国家众多核心行业的创新发展中发挥显性的作用。神威睿思操作系统主要应用于高性能计算与安全两个领域。产品含括超级计算机和各种集群计算机系统；桌面、服务器类通用操作系统，以及网络安全防护、主机安全防护、数据安全防护、安全管理等网络安全类的定制操作系统。目前多个应用领域的推广初见成效。随着国家对信息安全的高度重视和国产处理器性能的不断提升，信息安全的国产化市场会越来越大。神威睿思操作系统将重点瞄准自主可控等高安全领域，建立产业联盟，打造国产自主操作系统产业链，为国家信息安全提供保障。
本文来源：cnbeta网站
责任编辑：王晓易_NE0011
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分享至好友和朋友圈1超算界的角斗场：TOP500是什么？&&1946年，由美国军方定制的电子计算机“ENIAC”面世，当时的这个“大家伙”每秒可执行5000次加法或400次乘法运算。经过了70年的发展，超算的运行速度已经达到亿亿次/秒级别。在今年6月的ISC&2016上，TOP500公布了新一届世界冠军：神威·太湖之光。有人不禁会问，这款超算究竟有何能力超过天河二号？国产处理器申威26010，又是怎样的秘密武器？神威·太湖之光超算界的角斗场：TOP500&&自1993年以来，国际TOP500组织每年都会按照Linpack测试性能公布全球已部署的前500台超算，每年会有两次排名，旨在促进超算领域的交流和合作，推广应用。由于在2002年之前，中国HPC（高性能计算）未曾向国际申报过Linpack结果，因此没有被列入TOP500。后来，随着相关机构陆续开放测试，中国开始在国际超算市场崭露头角，迅速成为前10名的常客。&&Linpack最早在1974年4月被使用，是当前最流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的基准，通过超算求解N元一次稠密线性代数方程组的方式做出评估。Linpack测试包括Linpack100、Linpack1000和HPL。其中，HPL被称为高度并行计算基准测试，是针对现代并行计算机提出的测试方式，应用范围更广。&&计算峰值是衡量计算机性能的一个重要指标，所谓的浮点计算峰值分为理论值和实测值，前者是计算机理论上每秒能完成浮点计算的最大次数，主要由CPU主频决定，后者是Linpack测试值，即在计算机上运行Linpack测试程序，通过一系列调校得到的最优测试结果。&&在德国法兰克福举行的第47届国际超算大会上，一串带有中国特色的英文“TaiHuLight”成了全场焦点，它的官方名称是“神威·太湖之光”。这款超算以93Petaflops的Linpack峰值能力压天河二号，领跑TOP500，与它一起出名的，还有国产处理器申威26010。值得一提的是，中国上榜的HPC数量（167台）也首次超过了美国（165台）。太湖之光登顶TOP500&&除了排在前两位的太湖之光和天河二号，第四至十名的超算依次为泰坦、Sequoia红杉、日本K京、Mira、Trinity、Piz&Daint、Hazel&Hen和Shaheen&II。根据官方的说法，中国是继美国、日本之后，全球第三个采用自主CPU建成千万亿级别超级计算机的国家。&&作为曾经的TOP500六冠王，这里也有必要提一下天河二号，其由国防科大研发，落户在广州超算中心，搭载英特尔Xeon处理器，运行的是基于Linux的麒麟系统，创新性地采用了异构融合体系结构。天河二号的计算节点能耗约为18兆瓦，加上散热系统的整体能耗在20兆瓦以上。2太湖之光首秀夺冠 软硬件实现国产化初识“太湖之光”&&事实上，今年的ISC并非是神威家族的首秀，2011年曾经有一个神威蓝光系统，被安装在济南的国家超级计算中心，当时在TOP500上排名第14，所使用的申威SW1600是第三代16核芯片。上线五年之后，在863计划的支持下，中国国家并行计算机工程技术国家研究中心（NRCPC）推出了更强大的申威SW26010处理器，帮助太湖之光夺取了冠军。&&太湖之光搭载申威26010众核处理器，运行速度超过10亿亿次/秒，峰值性能12.54亿亿次/秒，持续性能达到9.3亿亿次/秒，功耗比达到每瓦特60.51亿次运算。与天河二号相比，持续计算速度提升了近3倍，测试功耗却更低（15371KW，天河二号为17808KW）。在Linpack测试中，太湖之光用4个小时就完成了天河二号20多个小时才能完成的运算任务。申威26010处理器，主板为双节点（图片来自Jack&Dongarra）&&太湖之光的整机效率达到74.16%，相比之下泰坦为65.19%、天河二号为55.83%，这在性能愈强、规模愈大的情况下，是很不容易的。性能功耗比方面，太湖之光的成绩为6G/W，泰坦为2.143G/W，天河二号为1.95G/W。此外，太湖之光在Green500也跻身三甲，考虑到排在前两位的超算搭载的是低功耗英特尔E5，因此这一成绩值得肯定。&&整体来看，太湖之光的架构应该是沿用了蓝光的MPP（大规模并行处理）分布式方案，更符合传统的HPC应用，效率更高。太湖之光由40个计算机柜组成，每个机柜有4个SuperNode（256个节点组成），共拥有40960个节点，每个节点单CPU有260个核心，主板为双节点设计，每个CPU固化的板载内存为32GB&DDR3-2133。太湖之光机柜组成（图片来自Jack&Dongarra）可嵌入四块双节点主板，正反各两块（图片来自Jack&Dongarra）超级节点Supernode（图片来自Jack&Dongarra）&&此外，太湖之光运行的是基于Linux的Sunwei&Raise&OS&2.0.5操作系统，配有兼容众核的编译器，支持Fortran、C/C++、OpenACC&2.0等语言，以及神威OpenACC编译工具。互联方面，其选择了PCI-E&3.0物理链路，协议是自主的Sunway&Network。在PCI-E嵌入的交换芯片会被当作虚拟网卡使用，这就使得各节点有了独立的IP。太湖之光软件堆栈（图片来自Jack&Dongarra）太湖之光互联架构（图片来自Jack&Dongarra）太湖之光整体布局（图片来自Jack&Dongarra）&&至于机房摆放，太湖之光采用了两侧各20个计算机柜和存储机柜、中间单列网络系统机柜的布局，占地面积605平方米。3申威26010扬名 摆脱国外技术依赖国产申威26010的秘密武器&&除了太湖之光夺冠，其实更令人兴奋的是其采用了国产处理器申威26010，可以说有着一定的历史意义。2015年4月，美国商务部发布公告，决定禁止英特尔向四家国家超级计算机中心出售Xeon&Phi处理器。而在此之前，曾经的TOP500冠军天河二号采用的就是Xeon系列处理器。这意味着，天河二号将无法继续使用英特尔提供的用于升级系统的新款芯片。&&然而，申威26010的出现击碎了外界对于国产化的质疑。与此同时，这款处理器也带来了一个“新名词”：众核。超算界早已对以GPU、众核为代表的异构计算持开明态度，GPU应用的场景越来越多，在算法上也有了更多的支持。从长远来看，异构集群对超算的重要性会加大，在确保灵活性和兼容性的前提下，追求更高的性能和更低的功耗。&&一直以来，HPC的发展离不开军用和科研，太湖之光也不例外。事实上，申威在业内早有耳闻，但为什么外界鲜有人知呢？主要原因或许就是军方背景。申威系列芯片的研发单位是江南计算机所（即总参某部56所），而申威26010就是在国家高性能集成电路（上海）设计中心生产，被部署于无锡国家超级计算中心。总参某部56所创建于1951年6月，位于无锡。&&申威最初的技术来源是DEC公司开发的Alpha&21164，后者在1995面世，采用0.5um制造工艺，主频为200MHz。不过，随着技术研发的深耕，江南所拓展出了自主的申威-64指令集，摆脱了Alpha的影子。&&申威26010采用了“CPU+”的方案（管理核心+运算核心），为64位RISC（主频1.45GHz），拥有260个处理核心和4个内存控制器。处理器内包括四个核心组，每组有65个内核，由8×8&Mesh架构计算集群（CPE）、一个管理单元（MPE）、一个内存控制器（MC）组成。其中，MPE和MC也可以被当作独立的处理核心，前者负责系统管理和通讯，后者则用于浮点运算，单个内存（128bit的DDR3）带宽为34GB/s，因此整个处理器提供了136.5GB/s的带宽。申威26010核心组结构（图片来自Jack&Dongarra）&&申威26010支持264位的矢量指令集，内置各32KB的L1指令缓存和数据缓存，以及256KB&L2缓存，没有L3缓存。对于CPE来说，单条处理管线使得每个主频周期可进行8次浮点运算，浮点性能为11.6GFLOPS，而MPE则约为CPE的两倍。申威26010节点基础设计（图片来自Jack&Dongarra）&&此外，申威26010可能并非采用NUMA（非统一内存访问架构）架构，这使得处理器组内之间的内容共享成为可能，在硬件方面没有缓存的一致性需求，由软件负责同步。相比之下，英特尔Kight&Landing则是将缓存一致性（Cache&Coherence）都交给硬件。从性能来看，申威26010的双精浮点峰值为3.06TFlops，与Kight&Landing处在同一水平线。&&不过，作为完全自主的国产处理器，申威26010也面临着一些问题。首先就是制造工艺，有人猜测28nm，尽管并不是官方说法，但相较英特尔的14nm还是有些落后。其次，太湖之光的HPCG（High&Performance&Conjugate&Gradients）成绩也一般，峰值效率为0.3%，低于天河二号的1.1%。太湖之光的HPCG成绩不理想（图片来自Jack&Dongarra）&&对于HPCG测试，可能是内存和互联宽带拖了后腿。前面提到过，申威26010采用的是DDR3，而英特尔Kight&Landing已经用上六通道DDR4，Xeon&Phi的内存带宽达到了512GB。虽然太湖之光在Linpack上大幅领先，但在HPC的适用性方面就会有些下降。总的来说，申威26010在计算能力上的优势有目共睹，不过由于更偏向军用，因此部分功能经过了特殊调校，应用范围有一定的局限。4太湖之光应用贡献大 照亮中国超算超算之路不平坦&太湖之光只是开始&&从天河系列的70%国产化，到神威蓝光的85%以上，再到如今完全自主、耗时三年研制的神威太湖之光，中国超算在美国芯片禁运的“倒逼”下，已经跨出了历史性的一步。值得一提的是，基于太湖之光系统的三项全机应用还入围了有超算界诺贝尔之称的“戈登贝尔奖”。该奖项自1987年设立以来，中国团队从未入围过。&&在国家863计划的支持下，作为“国之重器”的超级计算机在工业制造、航天、军事、医学、科研等领域将发挥更大的作用，并且会助推深度学习、人工智能的发展。未来，太湖之光将在四个方向发挥作用：全球高分辨率模拟，为气候变化研究提供量化研究的基础；先进制造，助力“中国制造”转向“中国创造”；生命科学，为研发新药和探索生命奥秘提供支撑；大数据分析。&&举例来说，国家超级计算无锡中心与清华大学、北京师范大学合作，在太湖之光上进行了CAM全球大气模式的重构与优化，以及全球超高分辨率大气模式实验框架。其中，大气模式实验框架已初步实现了3公里精度，仅次于日本NICAM&870米的分辨率。清华大学计算机科学与技术系副教授薛巍表示：“有了这套计算机系统，我们可以在30天内完成未来100年的地球气候模拟，全面提升我国应对极端气候事件和自然灾害时的减灾防灾能力。”大气模式实验框架（图片来自国家超级计算无锡中心）&&借助太湖之光，国家计算流体力学实验室对“天宫一号”返回路径进行了数值模拟计算，将为其返回提供精确预测；上海药物所开展的药物筛选和疾病机理研究，两周内就完成了原本需要10个月的计算，加速了白血病、癌症、禽流感等疾病的药物设计进度；此外，太湖之光还将在“高分辨率海浪数值模拟”和“钛合金微结构演化相场模拟”方面做出巨大贡献。截至目前，国家超级计算无锡中心已经与北京大学、中科院所、中船重工702所、远景能源、清华大学、国家计算流体力学实验室等国内30多家机构或单位建立了应用合作关系。&&除了国家级研究机构的贡献，以联想、曙光等为代表的中国企业也在超算领域有着很好的表现。最新一期TOP500中，联想就以92套获得了全球超算份额第二、中国第一的成绩。未来，超算将朝着高性能、低功耗的方向继续拓展，芯片设计、任务分配、算法优化、应用范围、散热系统等依然是努力的重点。&&当然，在欢喜的同时，中国超算的配套硬件和实际应用仍有较大的提升空间，太湖之光的成绩固然亮眼，但应用数量还不能与天河二号相比。软件方面，太湖之光解决特定领域的问题可以，毕竟都是专为申威处理器优化过的，但要涉及商业或其他领域，就必须考虑兼容性。目前，国内超算研发经费中用于开发的占比不到10%，而美国则在30%以上。如果不能融入商业用途，其实也是一种资源浪费。&&自1983年的“银河一号”诞生以来，中国超算从一片空白，到自主研发领跑全球，其中的巨大进步值得赞誉，这是成为科技强国的必经之路。而一路走来，质疑之声也从未间断，但无论怎样，每一项技术创新都会有学习的过程，不怕起步晚、走弯路、困难多，有了完全自主的技术支持，太湖之“光”将让中国超算更加闪耀。（注：本文部分技术内容来自知乎网友Sean、yuan&zhao、瞭望智库，以及美国田纳西大学橡树岭国家实验室Jack&Dongarra博士发表的英文学术报告，Tech&Report&UT-EECS-16-742）5附：更多关于太湖之光及TOP500信息附表：（内容来自Jack&Dongarra的报告）神威太湖之光系统参数：太湖之光、天河二号、泰坦对比：六款超算对比：太湖之光与英特尔KNC、KNL对比：最新一期TOP&500前10位的超算：当前位置 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& 挑战神威太湖之光 日本超算有什么独到之处？...
挑战神威太湖之光 日本超算有什么独到之处？
13:07:34&&出处：&&作者：铁流
编辑：雪花 &&)
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