在今年的超级电脑排行榜 Top500，台湾的高速科学计算中心的新超级电脑──台湾杉 2 号，采用和第一名 Summit 一样的 CPU＋GPU 的异质计算架构，以 9 PetaFLOPS 获得第 20 名，为台湾的基础科学研究添增助力。然而除了 CPU＋GPU 的异质计算架构外，还有哪些不同的计算架构呢？不妨以过往世界第一的超级电脑说起吧。
如果有读者还不认识 Top500 排行榜，以及他们排名的衡量标准可以先看这篇文章。
在过去十年里，美中日世界前三大经济体，都曾拥有世界第一超级电脑的头衔。此外，这三国的世界第一超级电脑，都曾采用该国开发的处理器以及系统。证明各自的芯片系统设计能力，也象征着国家科学研究技术的能力。
那么，这 3 个国家的处理器有什么差异？不妨从 2011 年，日本以自主的系统夺得世界超级电脑第一开始说起。
曾经的世界第一超级电脑──京
▲ Fujitsu SPARC64 VIIIfx 中，CPU 核心的架构图。
2011 年，日本的超级电脑──京。采用 Fujitsu 的 SPARC64 VIIIfx。此 CPU 采用 45nm 制程，每一颗 CPU 内有 8 颗核心，并可带来 128 GFLOPS 的双精度浮点数计算效能。
从图中可以发现每一颗核心有 4 个浮点数计算单元，也就是 FLA、FLB、FLC、FLD。借由这一个方法，可以带来更多的计算效能。
由于每一颗 CPU 的大小都一样，没有大小 Core 之分，这台超级电脑就像是将数万颗 Intel CPU 组合起来一样，清晰明了。
去年世界第一的超级电脑──神威太湖之光
2016 年，中国的神威太湖之光发表，为整个超级电脑社群投下一颗震撼弹。做为中国第一台自主发展的超级电脑，他接替了中国的天河二号从 2013 年写下的世界第一纪录，同时也宣告中国终于有办法发展自己的超级电脑。
下图便是神威太湖之光的处理器 SW26010 的架构图。在一颗 SW26010 中，它的核心设计概念比较像是 GPGPU 以及 big.LITTLE 技术的结合，由一个较大的 Master core 完成较复杂的功能。小的核心则处理单纯负责计算的功能，为简单的计算核心。
▲ 神威太湖之光一颗 CPU 内，CPU 核心以及连结方式。
借由工作的区分，一颗 CPU 便可以带来 3.0642 TFLOPS，和当年的主流计算 GPU Tesla K80 相比，没有太大的差距。不过由于此 CPU 为计算特化的 CPU，在日常应用中不会有更佳的使用体验。
由于小的计算核心功能较简单，为了让小核心可以跟大核心协同运算，它采用 OpenACC 这一套开源软件的标准，让 master core 可以将工作分配给 slave cores。借由 MPI、OpenMP 以及 OpenACC，让开发者可以轻易地撰写程式并在神威太湖之光内执行。
新的世界第一──Summit
今年，美国终于发表了他们新的超级电脑 Summit，从中国手中夺回超级电脑的榜首，结束从 2013 年至 2017 年由中国称霸的日子。此外，台湾杉 2 号的运行架构跟 Summit 一样，采用CPU＋GPU异质计算的方式，带来庞大的计算效能。
Summit 和神威太湖之光不同的地方在于 SW26010 的异质计算核心是结合在 CPU 内部，Summit 的 CPU-GPU 异质计算则是以 CPU 将独立 GPU 连结在一起运算，经由额外的传输界面将资料做交换。如图所示。借由 CUDA 以及 MPI，让开发者得以撰写平行程式。
3 台超级电脑，3 种架构
美中日的自主开发超级电脑，分别代表了 3 种不同超级电脑的解决方案。从京的以一颗 CPU 到太湖之光的异质整合 CPU，至 Summit 的 CPU＋GPU 异质计算的模式。这 3 种不同的技术皆曾占据过榜首，也因此没办法明确判断不同技术的优胜劣败。
但是在 Machine Learning 领域中，由于大部分的计算都是矩阵运算且运算的工作也是高度独立的，CPU＋GPU 的异质模式可以满足其需求。然而，当使用其他相对不好平行的算法时，京的运行架构较为通用，较不会被应用领域局限住。至于太湖之光则处于京以及 Summit 中间，拥有两者的优点，但一般使用者无法使用，为客制化芯片，研发成本较高。
近期，美中日三国也都提出了 Exascale 超级电脑的计划，欲将现在的超级电脑往 1,000 PetaFLOPS 推进。在近几年 ，我们将看到精采的超级电脑榜首争霸战。
- System Configuration of the K computer
- SPARC64 VIIIfx: CPU for the K computer
- Report on the Sunway TaihuLight System
（首图为 Summit；来源：ORNL）
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