答案:2023 年,如果一切順利的話。or 明天,如果我們夠瘋狂的話!

國際間在超級電腦建造方面的的下一個挑戰已經逐漸浮現:打造一套可以每秒處理 1018次運算的系統

要達到這個目標,不僅在資料處理、傳輸方面必須要有跳躍性的發展,在軟體設計方面也需要全面的革新。雖然,這項挑戰預期在未來八年之內仍難以突破,但是兩套包含基礎技術的概念系統則有希望在未來的兩年內完成。

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  • 中、日將擠下美國,率先打造出下一代超級電腦?

目前,中國與日本兩國都正致力於在 2020 年前完成具有每秒 1018次運算能力的超級電腦。而根據專家估計,美國在最早也要到 2023 年才有機會建造出相同等級的運算系統。

新一代超級電腦的建造主要面對來自三個方面的難題。

第一,為了容納數萬個 CPU 與圖像處理器 (GPU),建立一套全新的硬體架構是必要的。
第二,由於巨量數據傳輸將帶來高度能源消耗,如何有效降低能源方面的成本也是一大課題。
第三,軟體開發團隊必須要重新為新的硬體系統量身打造適用的軟體。

「在某種程度上,超級電腦的發展大部份都取決於國家給予的預算高低。」Steve ScottCray(超級電腦廠商)的資深副總裁兼科技長如是說。「其實,要在短期內創造出每秒 1018次運算等級超級電腦並非不可能,只是所需付出的建造與能源成本都將十分驚人。」

「如果只是透過擴大目前現有超級電腦的規模,企圖達到下一代超級電腦的運算能力的話,這個系統的能源需求將大到需要一個 億瓦等級的核電廠才能支應。」任職於 Notre Dame University 的電腦工程師 Peter Kogge 在 2011 年一月號的《IEEE Spectrum》中寫道。「因此,美國政府希望能在 2020 年左右,建造出能量需求約在 20~30 百萬瓦之間的新一代超級電腦,從而將一年所需的運轉成本壓在約 2 億美金左右的。(1 megawatt 的成本約為 100 萬美金)」Horst SimonLawrence Berkeley National Laboratory 的副主任表示。

  • 美國能源部投資開發超級電腦,超高故障率將是首要障礙

近期,美國能源部宣布將注資 3.25 億美元在由 IBM、 Mellanox、Nvidia Corp 等公司合作開發的超級電腦計劃

這項名為 Summit and Sierra 的計劃,將開發出一套由將記憶體建置於 IBM 的 CPU 及 Nvidia 的 GPU 周圍的全新硬體架構,並預計在 2017 年建造出具有每秒 1017次運算能力的超級電腦。根據專家表示,這項全新的硬體架構,將能有效減少處理器及記憶體間數據傳輸所帶來的能源成本,且對下一代具有每秒 1018次運算能力的超級電腦的發展有里程碑的意義。

根據 Simon 的說法:超級電腦計劃的實際可行性,取決于是否能發展出新一代的高密度記憶體及更快速、省能的數據傳輸方式,以完全發揮其處理器的性能。除此之外,他同時提到了如矽光子學 (利用雷射降低數據傳輸的能源成本) 等其他。

除了高度耗能以外,下一代的超級電腦也面臨了許多其他方面的挑戰。「隨著新超級電腦的結構複雜度增加,硬體故障的頻率也隨之大幅上昇。」來自 Lawrence Livermore National Laboratory 的運算部門科技長Bronis de Supinski 這樣表示。

Lawrence Livermore National Laboratory 擁有名為 Sequoia 的 IBM Blue Gene/Q 超級電腦,其故障頻率平均為每 3.5~7 天一次。若以此推算,下一代超級電腦的故障頻率將會高達每 30 分鐘一次。在這麼高的故障頻率下,要使用其進行複雜的模擬或應用幾乎是不可能的。然而,利用自動重新開機的軟體,將有助於系統錯誤的檢修。de Supinski 說:「這就是個必須由軟體解決硬體限制所衍生出的問題的典型狀況。」

  • 超級電腦的普及化將至,以後我們的電腦都能有 1015次運算能力

同時,專家也指出,要設計出適合在具有前所未見強大平行運算能力的平台上運作的軟體,本來就非易事,加上包含 GPU 加速器等新硬體結構因素,複雜度又更加提升。這也就是身為 Summit and Sierra 計劃主要開發者之一的 Nvidia,在計劃尚未大功告成前,就已開始與全球數以千計的軟體開發者分享關於其 GPU 加速器的相關資訊的原因。

除了 Summit and Sierra 計劃之外,美國能源部也在超級電腦開發的其他層面,另外投入了 1 億美元的經費。對於美國政府的大手筆投資,Nvidia 的 Tesla 電腦加速器事業部主管 Sumit Gupta 解說:這項投資將不止僅僅造福幾家得以負擔起超級電腦費用的大型研究機構,他們研發出來的相關新式硬體架構,也將有助於超級電腦應用的普及化。

「我對於在具有每秒 1018次運算能力的超級電腦出現後,具備每秒 1015次運算能力的電腦(現今超級電腦的等級)將會縮到多小的可能性感到十分興奮。」Gupta 談到,「有可能小到可以收進背包或者是放在一般的辦公桌上嗎?一般的研究所學生將能利用它進行什麼現在做不到的研究呢?相較於最尖端的超級電腦發展,我個人對於一般生活中裝置運算能力提升所能帶來的改變更有興趣。」

(資料來源:《spectrum.ieee.org》;圖片來源:Dennis van Zuijlekom,CC Licensed)