2018年：亿亿级HPC将降临 拥有10亿核心

构建亿亿级超级计算机的动力来自于它能解决很多大问题。 业界争相制造功能强大的超级计算机是为了解决世界上最重要的某些问题，比如说气候变化，汽车电池超长寿命的需求，温度高达1.5亿摄氏度的等离子熔解反应堆以及用野草而非玉米来制造生物燃料等。

超级计算机可以帮助研究人员创建三维立体可视图像而非视频游戏来运行无穷无尽的假定推测情景，以此增加细节的精确度。尽管目前的超级计算机规模已经非常庞大，但是超级计算机还有很大的发展空间--本次参加美国俄勒冈州波特兰市举行的第22届SC09年度超级计算机大会的11,000名与会人员中的部分成员要探讨的主要话题是超级计算机的下一个性能目标是：亿亿级超级计算机系统。

目前的超级计算机还没有达到亿亿级级别的。根据刚刚公布的超级计算机世界500强排行榜显示，世界上最快的系统是目前位于橡树岭国家实验室的Cray XT5超级计算机，这款系统配置了AMD公司的最新六核皓龙处理器，一共拥有224,256个处理核心。排名第二的美洲虎超级计算机的峰值性能可以达到2.3千万亿次浮点计算能力。

但美洲虎超级计算机的记录只是基准测试的峰值测试结论。橡树岭国家实验室一流计算设备部门的项目总监Buddy Bland介绍说，美国能源部已经开始规划构建功能要强大1000倍的系统-即亿亿级超级计算机系统，美洲虎超级计算机也在计划之列。亿亿级超级计算机系统将用于高清晰气候模型，生物能源产品，智能栅格研发以及熔解能源设计。后面的项目目前正在法国进行当中：即与美国合作开发的国际高热原子核试验反应堆。

Bland表示"这些严峻的亿亿级规模的问题都不是目前的超级计算机能在一朝一夕时间内可以解决的"。

超级计算机的发展速度是惊人的，在他们还停留在初级阶段的时候，设计需要大量能源，资金和空间的投入。直到1997年首款突破万亿次系统的问世，位于Sandia国家实验室的ASCI Red超级计算机首次突破了万亿次大关，即每秒的浮点计算能力达到1万亿次。到了2008年位于洛斯阿拉莫斯国家实验室的IBM走鹃超级计算机实现千万亿的计算速度，即每秒的可持续浮点计算能力达到1千万亿次。

Bland介绍说，负责为世界上最大规模计算机系统提供资金支持的美国能源部希望在2011年到2013年间能拥有两台达到10千万亿次计算能力的超级计算机系统。

目前能引发业界关注的下一个里程碑大关就是达到亿亿级浮点计算能力，即每秒的浮点计算能力达到100万万亿次（百万的三次方）。也就是说比目前的千万亿次浮点计算能力要快上1000倍。

亿亿级浮点计算能力有可能会在2018年得以实现。或者每隔十年实现一次大的性能飞跃。摩尔规律认为芯片上晶体管的数量每隔18个月就会实现翻倍，这种理论也能为10年的发展周期提供佐证。但是达到亿亿级计算规模所涉及的问题已经超出了摩尔定律的范畴。

IBM公司深度计算部门的副总裁戴夫.特瑞克表示，美洲虎超级计算机的耗能为7兆瓦或者700万瓦特。那么一台只配置中央处理器处理核心的亿亿级系统的耗能大概是20亿瓦特。"这大概是中等规模的原子能核工厂的耗能。未来还存在很多不可预期的可能"。

IBM与Cray和其他超级计算机制造商是竞争对手，他们发现了一种为用户节省能源需求的方法。但是超级计算机制造商仍然需要决定如何构建这些系统。随着时间的推移，他们可能会使用将协处理器或者加速器与中央处理器相结合的混合方式来达到降低能耗的目的。

耗能为3.9兆瓦的走鹃超级计算机在最初公布时的计算能力刚刚突破1千万亿次。这款系统采用的是将AMD处理器与包含9个独立处理器核心的Cell处理器（包括1个PowerPC核心和8个名为协作处理原的小型协处理单元）相混合的体系架构。包括图形处理单元和实地可编程门阵列在内的协处理器的使用可以将中央处理器的工作负载迁移到处理器上来处理更加专业的任务，从而降低计算机的能源需求。

预计亿亿级系统的核心数量大概在1千万到1亿个之间。特瑞克认为后面的数字可能性更大一些。

特瑞克表示"我们认为亿亿级系统应该是1亿个核心的规模。目前关于亿亿级系统还没有任何实际可操作模式可循。寻求亿亿级规模的超级计算机制造商们目前还处在调研阶段，看看正确的模式应该是怎样的。因此如果混合模式是关键所在的话，那么专用核心与常规核心的合理配比应该是什么呢？"。

未来系统的每个核心必须使用更少的内存容量并且需要更多的内存带宽。运行1亿个核心的系统将频繁出现核心故障，用来解决这些问题的应用工具也必须以更加灵活的方式进行重新设计，特瑞克强调说。

IBM公司针对亿亿级系统的设计目标就是将能耗限制在20兆瓦，把超级计算机的规模保持在70到80个机架之间。美洲虎超级计算机完全是由中央处理器构成的，但是Bland也预见了未来系统的混合架构的趋势，同时还指出芯片的研发任务将由提供中央处理器和协处理器的英特尔和AMD公司来承担。

Bland强调说，我们认为使用加速器绝对是实现亿亿级计算机可行性战略的关键所在。

位于加利福尼亚州Sunnyvale市的高性能计算研究公司InterSect Research的首席执行官埃迪森.斯奈尔表示，加速器可以为专用应用软件提供巨大的计算能力，应用软件可以利用加速器来首先迈进亿亿级计算的级别。最终常规用途的亿亿级计算系统也将得以实现，不过专用亿亿级计算机系统可能会首先面世。

在亿亿级超级计算机横空出世之前，千万亿次级别的系统将在规模上持续增长，政府资金支持的大规模计算系统研发计划将呈增长态势。富士通公司正在规划于2011年为日本的物理和化学研究院制造出10千万亿次级别的超级计算机系统，中国目前的超级计算机水平也达到了千万亿次级别。政府机构看起来对投资大型系统更感兴趣，一场国际间的超级计算机竞赛可能会从构建能解决世界上最迫切问题的计算机系统开始。