世界上運算速度最快的計算機天河二號超級計算機計算速度每秒5.49億億次

世界之最
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世界上運算速度最快的計算機是天河二號超級計算機。“天河二號”是由國防科學技術大學研製的超級計算機系統，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優異效能位居榜首，成為全球最快超級計算機。2014年11月17日公佈的全球超級計算機500強榜單中，中國“天河二號”以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續第四次獲得冠軍。2015年5月，“天河二號”上成功進行了3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學N體數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化程序。同時這是迄今為止世界上粒子數最多的N體數值模擬。下面就跟本站一起具體看看世界上運算速度最快的計算機等相關內容。

組成結構

天河2號由16000個節點組成，每個節點有2顆基於IvyBridge-EXeonE52692處理器和3個XeonPhi,累計共有32000顆IvyBridge處理器和48000個XeonPhi,總計有312萬個計算核心。

每個XeonPhi使用其中的57個核心，而不是使用全部的61個，因為使用61個在運算週期協調方面會有問題，而使用57個核心能夠加速4個執行執行緒，並且在每個執行緒單週期可以達成4Gflops的運算量，執行在1.1GHz的XeonPhi可以生產1.003Tflops的雙精度運算能力。如果考慮CPU,2IvyBridge*0.2112Tflop/s+3XeonPhi*1.003Tflop/s=3.431Tflops,2個IvyBridge+9個XeonPhi單個節點可以有3.431Tflops運算能力，16000個節點總計可達54.9PFlops效能。每個運算節點有256GB主存、而每個XeonPhi板載8GB記憶體，因此每個節點共有88GB記憶體，總計16000個節點一共有1.404PB記憶體，而外部儲存器容量方面更是高達12.4PB.

在每個主機板上有2個計算節點，而每個框架則有16個主機板，4個框架組成一個機櫃，整個系統由125個機櫃組成。每個計算節點主機板分為兩塊，一塊CPU一塊APU,CPU上有4核IvyBridge、記憶體和一個XeonPhi協處理器,而APU基板上則承載著5個XeonPhi協處理器和APU之間有5個水平插入的連結口，由IvyBridge內建的PCI-E2.0進行連線，雖然IvyBridge內建為PCIExpress3.0介面，但XeonPhi僅支援2.0,單個通路為10Gbps頻寬。

計算節點的前端處理器為4096個FT-1500處理器，FT-1500處理器是由國防科技大學為天河1研發，其可以說是天河1專案的最大收穫，其為16核心的SparcV9架構處理器，在40nm工藝情況下執行頻率為1.8Ghz,峰值效能為144Gflops/s,功耗為65W,但相比英特爾22nm12核2.2GHz211Gflops/s效能的IvyBridge還是有明顯差距。

天河2互聯方面採用自主研發的Express-2內部網際網路絡，其為有13個交換機，而每個交換機有576個埠。連線介質為光電混合。具體控制器是名為NRC的ASIC專用目的積體電路，其採用90nm工藝，封裝尺寸為17.16x17.16mm,共有2577引腳。單個NRC的吞吐能力為2.56Tbps.而在終端方面網路介面也採用類似結構的NIC,但規模稍小，為10.76x10.76mm,675pin,其採用PCIE2.0方式連線，傳輸速率為6.36GB/s.並且在在12000節點的情況下延遲也很低，僅為85us.

而在計算能力方面，使用14336個節點總計50GB記憶體進行LINPACK測試，理論效能為49.19Pflops,而實際測試效能為30.65Pflops,效率為62.3%.這個效率並不算高，還有很大優化提升潛力。當然也可能是被Xeonphi僅支援PCIExpress2.0頻寬不足限制。

上面測試使用了16000個節點中的14336個，運用了90%的規模，基本可以代表天河2的整體效能表現。天河2的效能部件（處理器、記憶體、互聯）整體功耗為17.6MW,而整體的運算能力為30.65PFlops,這樣計算每瓦的效能為1.935Gflops,這個效能/功耗比可以排在超算TOP500的前五，其整體效能/功耗比十分出色。

系統的整體功耗為17.6MW,並且這個功耗還不包括水冷這樣的散熱系統，如果考慮上整體功耗將高達24MW,廣州國家超算中心將採用城市供水系統構建高散熱效能的冷卻系統，有能力可以提供80KW系統的散熱能力。

天河二號超級計算機系統由170個機櫃組成，包括125個計算機櫃、8個服務機櫃、13個通訊機櫃和24個儲存機櫃，佔地面積720平方米，記憶體總容量1400萬億位元組，儲存總容量12400萬億位元組，最大執行功耗17.8兆瓦。天河二號運算1小時，相當於13億人同時用計算器計算一千年，其儲存總容量相當於儲存每冊10萬字的圖書600億冊。相比此前排名世界第一的美國“泰坦”超級計算機，天河二號計算速度是“泰坦”的2倍，計算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相當。與該校此前研製的天河一號相比，二者佔地面積相當，天河二號計算效能和計算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，執行相同計算任務的耗電量只有天河一號的三分之一。

技術引數

型號

天河二號型號為TH-IVB-FEP

處理器

16,000個運算節點，每節點配備兩顆XeonE512核心的中央處理器、三個XeonPhi57核心的協處理器（運算加速卡）。累計32,000顆XeonE5主處理器和48,000個XeonPhi協處理器，共312萬個計算核心。

中央處理器為英特爾提供的，運作時鐘頻率為2.2GHz的XeonE5-2692V212核心處理器，基於英特爾IvyBridge微架構（IvyBridge-EX核心），採用22納米制程，峰值效能0.2112TFLOPS。

運算加速上，使用基於英特爾整合眾核架構的XeonPhi31S1P協處理器，執行時鐘為1.1GHz，每個使用61個核心中的57個（因為使用61個會存在運算週期協調問題），每核心籍由特殊的超執行緒技術能運作4個執行緒，產生峰值效能為1.003TFLOPS。

前端處理器

計算節點前端處理器為4096顆FT-150016核心SPARCV9架構的處理器，40納米制程，運作時鐘頻率1.8GHz，熱設計功耗65瓦，峰值效能144GFLOPS。

儲存

記憶體

每個節點擁有64GB主存，而每個XeonPhi協處理器板載8GB記憶體，故每節點共88GB記憶體，整體總計記憶體1.408PB。

外存

12.4PB容量的硬碟陣列

主架

主機板、機架與機櫃均由浪潮集團製造，共有125個機櫃，每個機櫃容納4個機架，每個機架容納16塊主機板，每個主機板設定有兩個計算節點。每個機櫃還裝有負載指示燈，根據機櫃內主機的運算負載變更發光二極體的發光顏色。

每塊主機板上分為APU模組和CPM模組兩部分，APU部分承載5塊XeonPhi，CPM部分承載1塊XeonPhi+4顆XeonE5。

APU模組和CPM模組之間以CPU內部提供的PCI-E3.016x介面進行連線，但實際由於XeonPhi的硬體限制，僅支援至PCI-E2.016x，單通道資料傳輸速率為10Gbps。

連線

使用光電混合傳輸技術（OptoelectronicsHybridTransportTechnology），使用自制的THExpress-2主幹拓撲結構網路連線，以13個大型路由器通過576個連線埠以光電傳輸介質與各個運算節點互聯，控制器名為NRC，使用90納米制程，單個控制器的資料吞吐量2.56Tbps，終端網路介面使用名為NIC的控制器，以PCI-E2.0介面連結，資料傳送速率6.36GB/s。

作業系統

麒麟作業系統、基於SLURM（SimpleLinuxUtilityforResourceManagement，資源管理用單一Linux公用程式）的全域性資源管理。

UbuntuLinux。（UbuntuOpenStack執行在256個高效能節點上，而且在接下來的數月將會增長至超過6400個節點。OpenStack和Ubuntu的編制工具Juju都將執行在天河二號上，使國防科技大學的合作伙伴和聯盟機構能夠快速部署和管理高效能雲環境）

能耗

整機功耗17,808千瓦，在搭載水冷散熱系統以後，功耗將達到24兆瓦，無論水冷系統的搭載與否，都是目前TOP500裡功耗最大的。天河二號電費每年達1億人民幣。

以6月17日公佈的資料推算，每瓦效能為1.901GFLOPS，仍不及泰坦的每瓦2.143GFLOPS和IBM紅杉每瓦2.177GFLOPS的成績，但比"京"的每瓦0.830GFLOPS每和天河一號每瓦僅0.668GFLOPS都要高不少。

主要特點

天河二號是當今世界上運算速度第二快的超級計算機，綜合技術處於國際領先水平。

它有五大特點：一是高效能，峰值速度和持續速度都創造了新的世界紀錄；二是低能耗，能效比為每瓦特19億次，達到了世界先進水平；三是應用廣，主打科學工程計算，兼顧了雲端計算；四是易使用，創新發展了異構融合體系結構，提高了軟體相容性和易程式設計性；五是價效比高。

主要效能

2013年6月，天河二號以峰值速度（Rpeak）每秒54,902.4TFLOPS（萬億次浮點運算）、持續速度（Rmax）33,862.7TFLOPS，超越泰坦超級計算機（Rpeak27,112.5TFLOPS，Rmax17,590.0TFLOPS），成為當今世界上最快的超級計算機。這個成績於2013年6月17日提交至TOP500。實際上，在早前的執行測試中，僅使用16,000個運算節點中的90%，亦即14,336個節點，LINPACK運算速度就達到30.65PFLOPS的效能水準，超過前任“泰坦”的74%。國際TOP500組織2013年11月18日公佈了最新全球超級計算機500強排行榜榜單，“天河二號”以比第二名美國的“泰坦”快近2倍的速度登上榜首。

同樣在2013年6月，天河二號以2,061GTEPS的成績在Graph500上排名第六。Graph500是一個對超級電腦的資料密集型運算處理效能進行的一個排行榜，在此榜單上排位第一的是IBM紅杉，成績是15,363GTEPS。

“天河二號”的系統儲存總容量相當於600億冊每冊10萬字的圖書。假設每人每秒鐘進行一次運算，“天河二號”運算一小時，相當於13億人同時用計算器算上1000年。

應用領域

天河二號已應用於生物醫藥、新材料、工程設計與模擬分析、天氣預報、智慧城市、電子商務、雲端計算與大資料、數字媒體和動漫設計等多個領域，還將廣泛應用於大科學、大工程、資訊化等領域，為經濟社會轉型升級提供重要支撐。

天河二號逐步在生命科學、材料科學、大氣科學、地球物理、宇宙、經濟學，以及大型基因組組裝、基因測序、汙染治理等一系列事關國計民生的大科學、大工程中“大顯身手”。此外，國家超算廣州中心積極推動國際交流與合作，利用天河二號為國外研究機構提供高效能運算服務。

據悉，科技部近年不斷加大對超算應用軟體研發的投入。“十二五”以來的相關研發投入已超過2億元。預計“十三五”期間投入將進一步加大。

根據該專項“面向大規模科學計算的高效能多核CPU”課題計劃安排，2011年中國將採用FT-1500CPU構建全自主國產千萬億次計算機——“天河二號”。