日本開闢ARM新賽道重奪第一，中國超算理應居安思危
近日，國際超算大會發布最新一期的全球超算TOP500榜單，日本超算“富嶽”（Fugaku）超越美國“頂峯”（Summit）登頂榜首，在業內引起了強烈反響。這也是日本在闊別8年之後，重返超算TOP500第一。相較之下，此前曾獲第一的中國“神威•太湖之光”和“天河2號A”雖然依然處在前5之列，但在其分別停更4年和7年之後，與排名前三的日本和美國正在拉開差距。
所謂好漢不提當年勇。但為了客觀反映中國超算這幾年額髮展變化和當下的實際表現，我們以2016年6月的超算TOP500排名作為起點，直到今年6月剛剛公佈的最新超算TOP500止，看看中國、美國和日本間在超算領域間競爭的演變。
需要説明的是，我們之所以選擇2016年6月超算TOP500排名作為起點，是因為在那一年，中國不僅首次囊括冠、亞軍，神威•太湖之光”還是首次採用完全自主芯片（申威SW26010）問鼎，意義非同尋常。同時在總套數上，中國也首次超越美國，遠甩日本，可以説，那是中國在超算TOP500中的高光時刻和最高水平。
相比之下，美國進入TOP500的總套數165套，市場份額為33%，平均每套實際算力為1049834 Gflops，平均每套理論算力1493272 Gflops，效率為70%。
日本進入TOP500的總套數為29套，市場份額為5.8%，平均每套實際算力為1344897 Gflops，平均每套理論算力1675728 Gflops，效率為79.7%。
與日本相比，中國進入TOP500的套數是其5.69倍，平均每套實際算力是其94%，平均每套理論算力是其1.31倍，效率是其72.1%。
由此看，在事關超算真正競爭力的平均每套實際算力、平均每套理論算力以及效率上，中國與美國及日本各有領先，但總體呈現出旗鼓相當的趨勢，尤其是與美國相比，在套數接近的情況下，平均每套實際算力和平均每套理論算力均處在領先的位置。
時至2020年6月，中國進入TOP500的總套數為226套，市場份額為45.2%，平均每套實際算力為2502447Gflop，平均每套理論算力5242039Gflop，效率為47.74%。
相比之下，美國進入TOP500的總套數為113套，市場份額22.6%，平均每套實際算力5501377Gflop，平均每套理論算力7825818Gflop，效率為70.3%。
日本進入TOP500的總套數為29套，市場份額5.8%，平均每套實際算力18193362Gflop，平均每套理論算力23846850 Gflop，效率為76.29%。
與日本相比，中國進入TOP500的套數是其7.79倍，平均每套實際算力是其13.75%，平均每套理論算力是其21.98%，效率是其62.58%。
4年後的今天，中國超算在總套數高速增長（相對於美國的減少和日本的不變），在關鍵性的每套實際算力、平均每套理論算力以及效率上與美國和日本相比，均出現了非對稱性的大幅下滑，“大而不強“的趨勢相當明顯。
核心之爭：“神威•太湖之光”和“天河2號A”被超越前後均未更新
如果説前述是我國超算從2016年6月之後的4年間，整體在走提升套數，低效率競爭的模式，那麼在代表超算核心競爭力的TOP5中，曾經在2016年6月首次包攬冠、亞軍的“神威•太湖之光”和“天河2號A”至今，幾乎處在停更的狀態。
例如“神威•太湖之光”，在2016年6月首奪超算TOP500冠軍之後，直到今年6月最新的超算TOP500榜單發佈，沒有任何更新。相比之下，“天河2號A”也僅是在2016年6月緊隨“神威•太湖之光”拿下超算TOP500亞軍2年之後的2018年6月進行了一次更新，其中Rmax從此前的33862.7TFlop/s提升至61444.5TFlop/s；Rpeak則從54902.4 TFlop/s提升至110678.7 TFlop/s。
儘管如此，2018年6月，超算TOP500的榜單中的TOP5還是發生了逆轉。“神威•太湖之光”和“天河2號A”保持了2年，4次榜單冠、亞軍的位置分別被美國的Summit和Sierra替代。
相反，倒是當時位列第三的美國Sierra進行了更新，其Rmax從此前的71610TFlop/s提升至94640TFlop/s；Rpeak則從119193.6TFlop/s提升至125712TFlop/s，從而藉此在半年之後，即2018年11月發佈的，新的超算TOP500排行中擠掉了排名第二的“神威•太湖之光”。
所謂不進則退。正是由於中國“神威•太湖之光”和“天河2號A“在領先和被超越之後的“不進”與美國落後與領先的“進“，不僅讓中國超算喪失了TOP500的霸主和亞軍的位置，而且與美國Summit和Sierra的差距越來越大。
與此同時，日本在2012年6月超算TOP500痛失冠軍寶座後，也一直在“進“，經過6年的時間（據稱2014年開始研發“富嶽”），終於在今年6月重回榜首。而且出道即巔峯，其Rmax竟然是排名第二美國Summit的2.8倍，是中國排名第四“神威•太湖之光”的4.48倍。
知其然需知所以然：中國核心超算增長的瓶頸在哪裏？
按照中國對於超算的重視程度及對於國家的戰略意義，對於像“神威•太湖之光”和“天河2號A“主動放棄更新的可能性微乎其微，尤其是在2018年6月雙雙被美國超越之後。那麼究竟是何原因，讓中國的超算在4年的時間內基本處在停滯不前的狀態？
業內有一種解釋是，美國為了限制和阻礙中國超算的發展，分別在2015年和2019年將與中國超算密切相關的企業，例如國家超級計算長沙中心、國家超級計算廣州中心、國家超級計算天津中心、國防科技大學（NUDT）、無錫江南計算技術研究所、中科曙光、海光、成都海光集成電路公司、成都海光微電子技術公司等列入“美國出口管制實體清單“，進而確實在某種程度上影響了中國超算的發展。
例如2015年，美國禁運重點針對的天河2號，雖然該超算升級受到一定延宕，但是在 2017 年還是順利完成，受到禁運的加速器產品由原來的 Intel Xeon Phi 31S1P 換成了國防科技大學自主研發的 Matrix-2000。升級之後，在計算能力大幅提升的同時，能耗反而從天河2號的 17.8MW 下降到 16.9MW，另外，禁運之後江南計算所研發的“神威•太湖之光“在2016 年6 月份開始領銜全球 TOP500 排行榜，其使用的處理器是咱們的自研芯片—申威 SW26010。
不過在我們看來，既然美國將中國相關超算企業加入了“美國出口管制實體清單“，就肯定會有一定的負面影響，只是在這種負面影響下，我們通過自主努力能夠抵消多少和需要多長的時間。
另外一種解釋是，中國整體的超算水平並不高，儘管像“神威•太湖之光”擁有自研芯片申威 SW26010。
理由是，根據阿姆達爾定律，處理器並行運算與效率的提升並非線性關係，這意味着，當處理器達到一定數量，對於效率的提升將非常有限。基於此，真正具備實力的超算廠商，基本都是通過優化CPU（中央處理器）與GPU（圖形處理器）之間的連接網絡結構來提升GPU和協處理器性能，增加內存容量、擴充存儲容量、增大網絡帶寬等，最終在高性能計算系統、網絡架構、系統軟件、應用支撐等關鍵技術上取得突破。
而當我們去看“神威•太湖之光”的配置時，驚奇地發現，在超算TOP500榜單中的TOP5，甚至是TOP10中，其處理器的核心數遠遠大於其他系統。
例如針對最新發布的超算TOP500排名第一的日本“富嶽”，“神威•太湖之光”的核心數是其1.45倍，是排名第二美國Summit和第三Sierra的4.41倍及6.77倍。但其Rmax僅為“富嶽”的22%、Summit的62.6%和Sierra的98%。這裏需要説明的是，雖然“神威•太湖之光”的Rmax接近排名第三的Sierra，但這是在核心數為其6.77倍的前提下取得的。
對此，有業內人士認為，“神威•太湖之光”在2016年6月超算TOP500奪冠後4年一直沒有更新，可能與其為了奪冠，在初期依賴“堆疊”處理器（採用了高達 40,960 個 SW26010處理器）過猛就已經達到了提升效率的閾值，導致後續再通過處理器數量提升超算效率勢必遭遇瓶頸有關。也有業內認為，中國超算除了自主芯片外，在諸如網絡架構、內存、系統軟件等方面與美日仍存差距，畢竟超算是一個系統工程。
綜上，我們認為，中國超算與當時的巔峯狀態相比，正處在瓶頸，甚至下滑狀態，其競爭和發展方式也從質變成量（套數），尤其是作為代表的“神威•太湖之光”和“天河2號A“奪冠後數年的停滯不前，加上此次日本開闢ARM新賽道以絕對領先優勢奪冠，這些無不值得我們超算的業內人士居安思危。