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全球超级计算机竞赛将带来什么

俄罗斯《侧面》周刊网站5月26日发表题为《硅军巡礼:全球超级计算机竞赛将带来什么》的文章,文章称,一场附带地缘政治意义的全球超级计算机竞赛正在展开。全文摘编如下:
  今年春天,半导体工业成为万众瞩目的焦点。原因不少:全球芯片供应危机引发政府层面的担忧,2至4纳米创新芯片的宣传海报接踵而来。不过,这里所说的只是用于电子产品和家用电器的芯片。
  然而,这并不是半导体唯一的应用领域。就历史意义而言,在超级计算机上开发高性能计算(HPC)更为重要。在这方面,一场附带地缘政治意义的竞赛正在展开。
  现在为您介绍超级计算机的世界趋势,以及在发展量子计算的背景下传统硅电子的前景。
  用途广泛
  超级计算机需要特殊芯片。比如,一个月前,美国塞雷布拉斯系统公司发布了全球最强大的WSE-2处理器——用7纳米工艺、由直径30厘米的整块硅片(成品面积为21×21平方厘米)制成。2.6万亿个晶体管和85万个内核使这个芯片之王能比现实更快地模拟物理现象(比如核反应)。WSE-2的造价尚未公布,前代WSE-1的造价约为200万美元。
  此类芯片技术也在完善中,决定性参数不再是制程(即制造工艺),而是硅片尺寸。比如,台湾积体电路制造股份有限公司(它为塞雷布拉斯公司生产芯片)计划在未来几年内从30厘米硅片升级到45厘米,并为此建造4家大型工厂。而这只是升级超级计算机的方法之一。每台计算机都占据一个与工厂相当的区域,由成百上千个处理器、加速器和辅助处理器组成。计算架构变得至关重要:硬件的最佳布局、数据传输和处理的逻辑顺序。
  独立信息技术专家联盟主席谢尔盖·卡列洛夫对《侧面》周刊说:“如果说制造工艺的竞赛有物理极限——因为无法把原子切成两半,那么架构问题是没有天花板的——总是可以进行更巧妙、更精炼的计算。打破纳米纪录对超级计算机来说没有必要:大多数都使用10至12纳米的芯片。至于国际竞争,降低制程是简单的机械性任务,尽管它也需要高超的生产技能——这是亚洲国家的特色。制造超级计算机则是真正的工程艺术。目前在这方面处于领先地位的是英特尔公司、英伟达公司和超威半导体公司(AMD)等美国企业。但竞争将会加剧。要知道,超级计算机是文明的基础,没有它就不可能实现根本性突破。芯片行业本身也依赖它:新的制造工艺是在高性能计算的帮助下设计出来的。”
  详细的天气预报和灾害预测、卫星和射电望远镜的数据处理,神经科学和基因工程研究,材料和药物开发——这些都是超级计算机的应用领域。在疫情期间,超级计算机还参与了新冠病毒疫苗的研发,分析了传染路径。比如,斯图加特高性能计算中心开发了模拟德国医院床位占用率的程序。
  另一个工作阵地与人工智能有关。训练神经网络需要不断提高计算能力。神经网络模型的复杂性是由参数量来衡量的(参数量越多,人工智能就越“聪明”)。2019年,用于模拟人类交流的GPT-2模型问世,参数量为15亿。一年后出现的GPT-3模型有1750亿个参数。脸书网站的最新版推荐模型DLRM-2021(社交网站通过它“了解”用户偏好)已经包含1万亿个参数。
  卡列洛夫评论道:“训练这些模型涉及‘最繁重’的计算。到目前为止,我们甚至还没有接近完全模拟人脑。据推测,这需要至少100万亿参数的模型。我们将等待相应硬件的出现。早在1986年,英国科学家杰弗里·欣顿就对深度神经网络进行过描述。25年后出现的技术使他的理论得以实现。”
  吞金巨兽
  在这种情况下,超级计算机市场迎来投资热潮。美国海珀里恩研究公司的资料显示,对高性能计算每1美元的投资能产生44美元的利润。这个市场每年增长9%,到2024年,其规模将达到210亿美元。主要玩家是惠普(2019年的市场份额为37.2%)、戴尔(22%)、浪潮(6.6%)、联想(6.6%)和IBM(3.6%)。
  超级计算机的运算速度用PetaFlops来衡量:1PetaFlops为每秒运算一千万亿次。
  很快,PetaFlops将被新的量级ExaFlops(1ExaFlops为每秒运算一百亿亿次)所取代。第一台ExaFlops级计算机应是1.5ExaFlops的“前沿”。今年年底,它将在美国橡树岭国家实验室投入工作,研究星系行为。同时,美国还在制造“酋长岩”(2ExaFlops,2023年问世)。
  欧洲目前的“卢米”超级计算机仅限于PetaFlops级——550PetaFlops:它将于今年夏天在芬兰建成。欧盟也有制造ExaFlops级计算机的打算。但一年前发现,它没有足够资金。
  这需要大量资金。美国“前沿”的研发费用约为6亿美元。日本斥资10亿美元制造了目前的纪录保持者“富岳”。
  至于俄罗斯,2010年有12台超级计算机进入500强榜单,现在已经减少到两台:“奇里斯托法里”(8PetaFlops)和“罗蒙诺索夫-2”(5PetaFlops)。
  征服量子
  与此同时,一件更加激动人心的事正在发展——研发量子计算机。这有点像信息科学的圣杯。量子计算机的性能比硅基计算机强得多,甚至无法比较。比如,中国的“九章”量子计算机去年在几分钟内解决了高斯玻色取样问题:最好的超级计算机需要数亿年才能做到这一点。
  因此,同一批人对量子计算感兴趣也就不足为奇了:信息技术公司(IBM、英特尔、谷歌、微软)和主要国家的政府。
  不过,目前还没有一台作为市场产品的量子计算机问世。为此需要解决一系列根本问题。事实上,这是对大自然本身的挑战——让基本处于不确定的“纠缠”状态的量子粒子服从人类意志。
  进展是缓慢的。量子计算机的想法始于上世纪80年代,最初的实验室模型出现在90年代末。这种设备最直观的性能参数是量子比特的使用数量。本世纪头十年,量子比特以个位数计;到了10年代升至十位数计。今年,IBM公司有望推出一台拥有127个量子比特的计算机。
  卡列洛夫介绍说:“实际应用需要拥有数千个量子比特的量子系统。但到目前为止,它还无法创造出来:信息噪音——计算中的误差比例——的增长速度要快于这些计算的输出。显然,量子计算机是媒体的热门话题。但对专业人士来说,未来20至30年在这方面明显不会有突破。至少在本世纪中叶之前,这将是一种混合计算机:一枚完成高度专业化任务的量子芯片加上一台计算其他一切的普通超级计算机。”
  未来学家叶夫根尼·库兹涅佐夫提醒:“1965年,英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔描述了人类的技术发展进程。据他观察,每枚芯片的晶体管数量每24个月就翻一番。在现代解读中,这个公式看起来略有不同:计算成本每两年降低一倍。但总的来说,摩尔定律是有效的。此外,如果分析一下的话,它甚至在数字时代之前的机械计算机时代就已经适用了。整个世界历史潮流、人类的经济和智力发展形成了这支时间之箭。今天,我们口袋里的智能手机已经超越了曾经把人送上月球的计算机。10年后,每个人都将拥有比今天的超级计算机更加强大的设备。”

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