超級電腦進入Peta級運算量 2012年上看百萬核心數

在1993年時，全球排名第一的超級電腦是美國Los Alamos實驗室的1,024核心的CM-5，浮點運算量達到59.7Gflops（Gigaflops），這個數據看似驚人，其實沒比現在個人電腦的運算能力快上多少。

現在個人電腦的運算能力已經可以達到10 GFlops，比1993年全球第50名的超級電腦還要快上2倍，換句話說，每一個人的桌上等於有一臺1993年超級電腦等級的運算設備。

一直到了1997年，超級電腦的效能才進入TFlops（Teraflops）的等級，2004年以前，各國最強的主機運算量都低於100TFlops，但是到了2008年，首次出現了計算量達到1,000TFlops的主機，10年內進步了1千倍，從TFlops進展到PFlops（Petaflops）。今年上半年出爐的全球前10大超級電腦，全部都達到PFlops的運算量。而排名第一的超級電腦「京（K Computer）」，運算量更是高達8.16 PFlops，運算能力是18年前超級電腦CM-5的14萬倍。

國家高速網路與計算中心主任江國寧表示，超級電腦是國家競爭力的展現，尤其在全球Top500排行榜上的超級電腦，更能反映出一個國家的科技實力，這也是許多強國長期發展超級電腦的原因之一。

美國超級電腦長年奪冠，近2年接連被中國和日本超越

從歷年超級電腦Top 500排行榜來看，美國向來居於領先地位，每年持續維持有200～300臺超級電腦上榜，2011年6月排名中有255臺入榜，等於排行榜上超過半數都是美國的，而且總計算量遠遠領先各國。而日本除了再次以超級電腦「京」站上排行榜冠軍，近幾年也都維持有10～30臺上榜，今年有26臺入榜，總計算量僅次於美國。

而中國近幾年則積極投入高速計算，2006年6月就有28臺超級電腦入榜，今年更有62臺入榜，數量僅次於美國，而且遠遠超過日本。2010年時，中國的天河1號A超越了美國的Jaguar超級電腦，奪下排名冠軍寶座，中國去年在前十大超級電腦就入榜了2臺，都採用了GPU處理器來提高運算效能，但是中國超級電腦的運算量合計只有日本的6成多。其他如德國則維持每年20～60臺上榜，英國也有20～40臺。

臺灣今年共有2臺超級電腦上榜，除了國網中心的御風者排名42以外，另有一家公司的超級電腦排名420。歷年來，臺灣進榜最多數量的一年是2007年，共有11臺超級電腦上榜。國網中心的IRIS也是在當年6月奪下排名35的佳績，但從2008年超級電腦的運算能力進入1,000TFlops時代以後，臺灣上榜數量迅速減少，2009年11月甚至跌出榜外，直到今年6月才重回500大排名，甚至奪下Top42。

日本「京」超級電腦2012年完工，處理器核心數近64萬個

今年排名第一的日本超級電腦「京」其實尚未完工，雖然只是半成品，但其運算效能已超過其他前五大超級電腦的總和。

這套超級電腦是由富士通和日本神戶的理化學研究所共同打造，從2006年就開始規畫概念架構，花了2年進行細節設計，2009年中進入建置階段，預定明年6月完工，進入系統調校時期，按計畫將於2012年11月正式提供服務。

近幾年來，使用GPU來提高運算效能的超級電腦竄起，2010年的排名第一的天河一號A和排名第三的星雲，都採用GPU的大量平行運算能力來提高效能。但是「京」卻沒有採用GPU處理器來加速，反而是採用了富士通打造的45奈米處理器SPARC64 VIIIfx，核心時脈2.0GHz，作業系統則採用客製後的Linux。目前已經建置了672個機櫃，共有68,544個處理器。每個處理器有8個核心，總計有548,352個核心。

在日本這部新一代超級電腦中，每8個機櫃組成的電腦叢集，就相當於2臺日本2002年「地球模擬器」超級電腦的運算量總和，等到整套800多個機櫃全部建置完成後，「京」將會比地球模擬器快上200倍。

面對如此龐大的運算核心數量，除了建置系統以外，更難的挑戰是運算節點間的互通問題，富士通也採用了客製的傳輸方式，並且自行開發了新的互通架構6D Mesh/Torus Topology，可以讓每個節點間的連接方式是6維向度，每一個運算節點都可以和其他6個不同運算節點相互連結，萬一其中一個節點故障，也可以避免使用發生故障的節點，不影響整體系統運作。另外還採用水冷式冷卻技術來降低處理器等主要元件的溫度，避免高密度集中的散熱問題。

等到2012年完工時，「京」預計建置超過800個機櫃，以及8萬顆以上的處理器，合計超過64萬個核心，記憶體則可達到1PB的容量。富士通預估，屆時運算效能更可達到10PFlops。

日本政府也選定了5個優先應用領域，包括了第一是生命科學和藥物製造，其次是新物質與能源開發，第三是防災減災的地球變動預測，第四是次世代製造業創新發展，第五是物質和宇宙起源的研究。理化學研究所也為了發展這5項應用領域而成立了計算科學研究中心，來研發能夠善用「京」超級電腦的共用計算平臺。

對日本政府而言，超級電腦不只是學術研究的工具，也是產業創新的利器，所以，「京」的優先應用項目也包括了製造業創新發展。

同樣情況，以全球趨勢來看，企業對超級電腦的需求一點都不比學術研究少，產業應用的需求經常高於學術使用，例如在今年全球五百大超級電腦中，就有高達57％的超級電腦是為了產業應用而建置，不像臺灣，超級電腦的需求以學術研究為主的情況。

美國投入上億美元，擬在2012年奪回冠軍寶座

從1993年開始發布排行榜以來，美國的超級電腦一直是全球排名第一，過去只有1次被日本的「地球模擬器」搶走龍頭寶座，但從2010年起，美國超級電腦龍頭地位接連被中國和日本超越。

為了搶回龍頭地位，美國也投入上億美元，由Cray電腦來打造代號Titan的新一代超級電腦，採用GPU來設計運算節點，作業系統也是Linux，2011年將先完成部分建置，提供約1PFlops運算量，等到2010年完成後，運算量預估可達到20PFlops，是日本「京」的2倍，預定2012年完成，將設置在美國Oak Ridge國家實驗室（ORNL）。

除此之外，2012年美國還有另外一部超級電腦將完工，這是由IBM為美國能源局Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL） 打造的Sequoia超級電腦，將使用160萬個處理器，來提供20PFlops的運算量，主要用途是核子武器模擬或基因研究。

臺灣國網中心雖然近期內不會再有大型超級電腦建置計畫，但中央氣象局則計畫分3年投入5億元經費，在2014年打造一臺新一代的氣象預報用超級電腦，以取代現有由156臺IBM Power 5伺服器組成的舊超級電腦，運算量預估可從13TFlops提升到200TFlops。

氣象局希望，未來新超級電腦完成後，可以將2D平面預報分析的網格解析度，從現在的5平方公里縮小到3平方公里，透過更細緻的模擬計算來提高預報準確度。

目前全球超級電腦排行榜最低上榜門檻為40.1TFlops，但無法估計3年後這個門檻是否將提升，也因此無法推測氣象局新一代的氣象預報超級電腦能否邁入全球500大，但可預見的是，這部超級電腦將會取代國網中心現行的御風者，成為臺灣新的超級電腦龍頭。

2011年超級電腦Top500跨國比較

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