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超级计算机的世纪之争 得天下者必用台积电

  • 詹益仁

IBM及英特尔的处理器过去都是超级计算机的常胜军,然而受制于自身先进半导体制程技术的延宕,却让超微及NVIDIA两家fabless于近期捷足先登。Unsplash

最近有3件报导都跟超级计算机有密切的关系,首先是日本的富岳(Fugaku)超级计算机在六月夺得世界第一的荣誉。这是日本在睽违了十多年之后,重获此殊荣,而这段时间超级计算机一直是美国与中国的天下。

「富岳」是由富士通与日本理化学研究所共同研发,运算能力是每秒41.5亿亿次浮点运算(0.415 exaFLOPs)。其运算核心处理器为日本自行研发,采用ARM 48核架构,以及台积电7纳米制程及CoWoS尖端封装技术。整个系统共使用了超过15万颗处理器,造价达到12亿美元;此造价之昂贵实为空前,几乎是美国在进行中的下一代超级计算机经费的2倍。

约略在十年前,台湾裔的日本国会议员莲舫,曾对官员质询此预算时发出了惊人之语,她说「为什么要做世界第一?做第二不行吗?」此话一出在日本社会激起很大的震撼,正反两极的评价都有,但对于这二十年来积极培养诺贝尔奖得主卓然有成的日本学术界,尤其视为大不敬。不过日本在历经了十年的努力,终让超级计算机重拾世界第一的桂冠。

第二及第三则报导都跟商业行为有关,分别是惠普(HP)购并了Cray计算机公司,以及NVIDIA购并了Mellonax,价格分别是14亿以及69亿美元。

Cray在80年代就已崭露头角,执世界超级计算机的牛耳,其独特的环形结构Cray-2是为了提升运算效率而设计的。在那个年代,一个国家的国力是以拥有多少部超级计算机而定。台湾的第一部超级计算机是由中央气象局所采购,用于天气预测之用,但是它的运算能力大概都不及我们现在口袋中的智能型手机。说到Cray就不得不提一下其首席设计师陈世卿博士,陈博士曾因在超级计算机的重大贡献,成为时代杂志1988年3月的封面人物。陈博士出生于福建,在台湾完成大学学业,现仍活耀于美国及中国的科技界。

Mellonax是家以色列的公司,主要产品为提供计算机与计算机间资料的互联技术,现已广泛地使用在超级计算机的系统上。

九十年代开始,由于个人计算机的兴起以及网络互联的发达,使得超级计算机的重要性已不若往昔。然而举凡在气象预测、人口普查、新材料研究、运算科学、新药开发乃至于尖端武器系统,都需要仰赖超级计算机集中式的大量运算。因此现今的超级计算机主要用户集中于国家级的研究机构以及具规模的公司。当然某种程度仍是国家科技实力的展现,因此先进国家仍不时有相关计画在进行中。

中国发展超级计算机始于80年代,然而真正跃身国际舞台却是这十年的事,目前该国共有七个超级计算机中心。2010年中国自主研发的「天河一号」首度登上超级计算机的宝座,之后抡魁的是2014年「天河二号」以及2016年「太湖之光」。「太湖之光」目前仍是世界排名第四的超级计算机,而中国大陆正在研发下一代的超级计算机「天河三号」。

除了「天河二号」使用英特尔Xeon处理器外,其它的超级计算机所用的处理器均是中国所自主研发而成,分别是「天河一号」的龙芯,「太湖之光」的申威,以及「天河三号」的飞腾。飞腾处理器是使用ARM核心以及台积电16纳米制程,而这些处理器都是中国中科院及国防单位所研发的成果。

中国自制的处理器跟IBM、英特尔、超微(AMD)效能上仍有一段距离,以「太湖之光」为例,它与排名第三的Sierra在运算的效能上没有太大的差异,但所使用的功耗却是后者的2倍;Sierra所使用的是IBM Power处理器。2019年美国川普政府除了将华为列为黑名单外,同时也把中国的江南计算所、中科曙光、天津海光列为实体清单,禁止美国产品的输出,而这些单位都是中国政府发展超级计算机的重要机构。

美国目前有3个超级计算机的计划在进行,分别是位于国家橡树岭实验室的Frontier,劳伦兹实验室的El Captain,以及阿冈实验室的Aurora。其中前2部是由超微及Cray所共同研发制造,造价都在6亿美元之谱;而第三部则是英特尔与Cray的合作。

Frontier将使用超微7纳米EPYC处理器及GPU,其运算速度将达到1.5 exaFLOPs,相当于「富岳」的3倍之多;El Captian更是使用了台积电5纳米的技术,而运算速度将达2.0 exaFLOPs。这2部超级计算机将于明年后陆续运转,届时美国将重拾世界第一的宝座。然而由英特尔主导的Aurora,原预定使用7纳米制程于2018年上市,却因为英特尔的先进制程开发不顺,将延到2022年后才有可能问世。

谈完了先进国家的超级计算机计画,回过头来看看超级计算机在台湾的发展。2年前在科技部国网中心的主导下,与国内民间业者共同研发了「台湾杉二号」超级计算机以支持学术界所使用。该超级计算机使用了英特尔的Xeon处理器以及NVIDIA的GPU,目前是世界排名第21,也算占有一席之地。

IBM及英特尔的处理器过去都是超级计算机的常胜军,然而受制于自身先进半导体制程技术的延宕,却让超微及NVIDIA两家fabless于近期捷足先登。所以超级计算机的世纪之争在未来的一段时间,应该是「得天下者,必使用台积电的先进制程」!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。