資訊科技

超級電腦,哪裡超級?

日本的超級電腦「京」在2011年11月蟬連超級電腦排行榜榜首,台灣國網中心的「御風者」也二度名列TOP500前百大。到底什麼是超級電腦?運算效能有多強大?

撰文/呂怡貞
審稿/姚志民(國研院國家高速網路與計算中心副主任)、王迎春(國研院國家高速網路與計算中心育才與推廣組組長)

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超級電腦,哪裡超級?

日本的超級電腦「京」在2011年11月蟬連超級電腦排行榜榜首,台灣國網中心的「御風者」也二度名列TOP500前百大。到底什麼是超級電腦?運算效能有多強大?

撰文/呂怡貞
審稿/姚志民(國研院國家高速網路與計算中心副主任)、王迎春(國研院國家高速網路與計算中心育才與推廣組組長)

  高速計算代表寬廣與深入的科學研發潛能,先進各國無不競相建置超級電腦以拓展計算資源。在2011年11月第38屆全球最快超級電腦排行榜TOP500裡,日本的京超級電腦(K Computer)名列第一;由國家實驗研究院國家高速網路與計算中心(簡稱國網中心)建置的超級電腦「御風者」(WINDRIDER)則名列60。


超級電腦比一比


  超級電腦是指能夠執行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦,其基本組成元件與個人電腦的概念無太大差異,但規格與性能則強大許多。


  目前國際上以「TOP500」做為權威性的超級電腦排名指標,是由德國曼海姆大學(University of Mannheim)、美國田納西大學(University of Tennessee)與勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)共同發起的全球超級電腦TOP500排行計畫。自1993年起每年公佈二次成績,每年6月在歐洲ISC(International Supercomputing Conference)以及11月在美國SC(Supercomputing Conference)兩場國際高速計算會議中發表最新排名,而「每秒浮點運算次數」(floating-point operations per second, flops)是排名關鍵。


  浮點(floating-point)指的是帶有小數的數值,浮點運算即是小數的四則運算,常用來測量電腦運算速度。TOP500是由超級電腦執行「LINPACK程式」的線性聯立方程式,做為評斷浮點運算能力的標準,以Tflops(tera floating-points operation per second,tera=1012)為常用單位,1 Tflop代表每秒執行一兆次浮點運算。


  在2011年11月的排行裡,榜首日本的京超級電腦運算速度高達10510 Tflops(=1.051 x 1016 flops,「京」本身即代表1016);而本屆排名前十的超級電腦計算速度均超過1000 Tflops(即1 Pflops, peta flops, peta=1015),第500名也已達到50 Tflops。



軟硬體搭配 高效能運算呈現


  TOP500除了公佈排行,也詳列榜上超級電腦的規格。目前國際上多以叢集式(cluster)電腦進行平行運算,做為超級電腦的建置架構與運作方式,亦即聚集多台運算主機,用高效能的連接方式使其協同運作。


  構成叢集式超級電腦的個別主機和一般個人電腦無太大差別,其專門執行運算的中央處理器(central processing unit, CPU)與內建核心數(core)都直接影響運算能力;但相較於市面上一般個人電腦大多內建四核心或八核心,超級電腦的總計算核心數則以成千上萬計。以記憶體來說,個人電腦常見為2GB或4GB(gigabyte,10億位元組),超級電腦則擁有TB(terabyte,兆位元組)等級的大容量,可以處理及運算龐大的資料。


  由若干個CPU、記憶體、硬碟、網路連接卡等相關的硬體組成超級電腦的計算節點(node),這可視為能獨立運作的小型計算主機(個人電腦可視為單一節點),但若要成為超級電腦則必須整合大量的節點,才能成為功能強大的高速計算主機。此外,近年各國趨勢傾向用繪圖處理器(graphics processing unit, GPU)取代CPU,以增進超級電腦計算效能。


  超級電腦之所以能解決龐大的運算需求,主要原因是讓眾多節點分別執行龐大計算的一小部份,然後再合併產生最終的結果。其中關鍵硬體是可以在為數眾多的計算核心間快速傳輸資料的內部互連網絡(interconnect),其高頻寬的傳輸速度讓資料在密集交換時穩定、不塞車,是一般個人電腦中不具備的設備;若要以多台個人電腦解決龐大的計算需求,光是網路塞車的瓶頸,就限制了個人電腦的運算能力。


  除了少部份國家使用自製硬體,目前全球超級電腦的內裝大多出自固定幾家硬體公司。國網中心副主任姚志民表示,如何集合與搭配現有硬體,再藉由架設最適合與相容的軟體系統,串連成叢集電腦,並經由測試、調校使群組效能發揮到最大,才是TOP500真正考驗各國軟實力之處。


  設計精良、撰寫得宜的軟體能讓龐大計算以平行方式快速處理,達到事半功倍的效果,其中,中介軟體(middleware)是高速運算的關鍵。透過中介軟體將大量資料有效切割、妥善分配給CPU和記憶體去處理,亦即協調眾多節點同時運作,讓叢集電腦裡所有硬體合作執行龐大運算,發揮最大效益,這是一般個人電腦無法做到的事情。


超級電腦早期為工業用電腦,可連結大量功能似個人電腦的節點高速運作,其基本組成元件與個人電腦無太大差異,但軟硬體均經過精密設計,功能強大。放置形式為多個活動式節點嵌入制式標準機櫃,以利機房管理。(影像來源:國網中心)



超級電腦多超級?


  台灣有不少機關單位如中研院、工研院、氣象局、大專院校以及民間公司,擁有超級電腦,也曾登上TOP500,但這些超級電腦多供特定計畫或內部使用。


  國網中心是國內唯一開放高速計算主機給外界使用的機構,以滿足國內科學與工程研究人員計算資源需求。「御風者」(取自列子御風逍遙而行之意命名)的計算量為177 Tflops,在2011年6月與11月分別進入TOP500第42名與第60名。此外,從硬體組合到軟體設計均為國網中心一手建置的「第四代Formosa」(Formosa 4)也在2011年11月首次入榜,計算量為70 Tflops,名列第234名。


  「御風者」超級電腦到底多超級?若每人每秒能做一次浮點運算,則全台灣2300萬人需日夜不停計算89天,才能達到177 Tflops的計算量,而御風者只需花一秒鐘;2萬5600顆計算核心、73728 GB記憶體的計算效能,約相當於集合2萬台雙核心個人電腦;1074 TB的巨量儲存空間(個人電腦約500 GB)則可儲存23萬片DVD,相當於46萬小時影像資料,需要不眠不休50年才能看完。



打造符合需求的超級電腦


  TOP500戰況激烈,歐美先進國家競相角逐,美國一直位居佔榜率之首;亞洲方面,中國從過去鮮少進入前十大,到2009年一舉搶進前五強並維持至今,佔榜率也逐年穩定攀升,日本、台灣、南韓、新加坡、香港、沙烏地阿拉伯、以色列與印度常年進榜,日本與南韓更是百大常客。


  台灣打造超級電腦的能力已達國際水準,姚志民表示,持續躋身TOP500是維持國家競爭力的表現,但建置與維護超級電腦需投入大量資金,因此不必一味追逐排行,而是為台灣科研團隊提供專用且符合需求的超級電腦、提升國內科學發展,才是台灣超級電腦的價值。






2011年11月第38屆TOP500前排行名單。本屆台灣有二台超級電腦入榜:第60名的御風者,以及第234名的Formosa 4,均為國網中心所有。(資料來源:www.top500.org)





2000~2011 TOP500各國超級電腦最大計算量排行走勢圖。圖中每點為該年該國最強的超級電腦(右表為本屆該國最強電腦名稱,以及本屆入榜數目),縱軸為計算量,近年展現大躍進的趨勢,日本京電腦更是衝破1016 flops(即10 Pflops)。(資料來源:www.top500.org)





歷年TOP500超級電腦計算量成長與趨勢圖。縱軸單位為Gflops(giga flops,giga =109),原點為0.1 Gflops,每10倍為一間隔。圖中可看出全球與台灣都呈現指數性成長的趨勢(台灣為綠色曲線,在1999、2009與2010年共四屆無入榜,餘年各有進榜),預計台灣在2013年6月將達到103 Tflops,2016年11月可望突破104 Tflops。(資料來源:www.top500.org,圖表整理:國網中心)





延伸閱讀

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TOP500 全球最快超級電腦排行榜

國家實驗研究院 國家高速網路與計算中心

〈電腦的起源〉,坎貝爾凱利(Martin Campbell-Kelly)撰文,《科學人》2009年10月號

〈計算未來〉,溫柏格(David Weinberger)撰文,《科學人》2012年1月號

〈電腦vs.人腦〉,菲謝蒂(Mark Fischetti)撰文,《科學人》2011年12月號

《下一波資訊革命:量子電腦》,約翰遜(George Johnson)著,曾耀寰、邱家媛譯,究竟出版

《溫柔數學史:從古埃及到超級電腦》,柏林霍夫(Bill Berlinghoff)、辜維亞(Fernando Gouvea)著,博雅書屋出版



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