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超级计算机具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高性能的软件系统 。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一万亿次以上 。这个巨大的计算机系统主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务： 如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物理探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，制定国民经济的发展计划等。

到 2016 年，中国的 “神威·太湖之光 ”（每秒 9.3 亿亿次的浮点运算）和 “天河二号 ”夺得状元和榜眼 ，第三至第十名依次是美国的“泰坦”、“红杉”、“科里（Cori）”，日本的“Oakforest-PACS”、“京（Kyo）”，瑞士的“代恩特峰”以及美国的“米拉”和“三一”。

现在，超级计算机正被用于各国国家高科技领域和尖端技术研究 ，同时也是一个国家科研实力和科技发展水平的体现 。

而在超算领域，有一个知名的排名“TOP 500”榜单。该榜单始于 1993 年，是对全球已安装的超级计算机“排座次”的知名排行榜 ，由美国与德国超算专家联合编制，该榜单每半年发布一次。

图|（来源：TOP500 官网）

其中，日本的超算 “京 ”曾于 2011 年获得 TOP 500 榜单冠军 ，是由富士通联合日本理化研究所开发的，到 2018 年６月已跌至全球第 16 位 。富士通表示计划开发下一代超级计算机 （代号 Post-K ）重夺全球超算榜首 ，它的性能将是现在的“京”的 100 倍，同时能耗只有三倍。

Post-K 将使用全新研发的处理器 A64FX，架构转向 ARM，将于 2021 年推出。 在今年美国硅谷举行的 HotChips 会议上，富士通公开了 A64FX 处理器的详细架构及性能。

图丨富士通超级计算机的配置

A64FX 由 87.86 亿个晶体管组成，采用 7nm FinFET 工艺技术制造。它将是第一个实现 Arm 的可扩展向量扩展 （Scalable Vector Extensions/SVE）的处理器 ，这是一个专为高性能计算而设计的指令集。

今年 6 月，富士通已经开始生产该处理器的原型并开始进行初步测试，还披露了 CPU 的一些基本细节，包括其核心数（48 个计算核心加 4 个辅助核心）和 SIMD 矢量宽度（512 位） 。在 HotChips 会议上，富士通的吉田敏夫（Toshio Yoshida）对微体系结构及其性能概况进行了更深入的研究。

图|（来源：TOP500 官网）

在运算速度上，作为第一款 SVE Arm 芯片，A64FX 提供了一些不错的浮点性能数据：64 位系统（FP64）每秒可以做超过 2.7 万亿次浮点运算，32 位系统（FP32）的速度则达到每秒 5.4 万亿次，16 位系统（FP16）每秒超过 10.8 万亿次 。后两个系统对于深度学习应用尤其重要，传统上使用较低精度的 FP32 和 FP16 来训练神经网络。

A64FX 还实现了 16 位（INT16）和 8 位（INT8）格式的整数点积运算，可用于推理这些相同的网络。富士通称，使用 INT8 的新 CPU 可以达到每秒 21.6 万亿次操作以上，INT16 可以达到每秒 10.8 万亿次操作以上 。

虽然 A64FX 的浮点性能值得肯定，但它只比最先进的 Xeon Skylake CPU 快了大约 35％，比现在已经不存在的 Xeon Phi CPU 慢了 20％ 。不难想象，无论是使用 Ice Lake Xeon CPU 还是未经证实的 Xeon AP 处理器，英特尔将在 2021 年为 Aurora exascale 超级计算机生产更高速的 CPU。另一方面，现在富士通只是提供了 A64FX 的低端性能估计，它暗示将在最终芯片推出几年后公布更多的测试信息。

虽然浮点运算速度并不是超级计算机的一切，但这确实让我们了解到亿亿次级计算机所需的处理器数量。使用保守的每秒 2.7 万亿次估计，需要超过 37 万块芯片才能达到峰值，而在 Linpack 或真正的浮点密集型应用程序上达到峰值可能需要 40 万 。

由于富士通计划在每个 Post-K 节点中只放置一个 A64FX 处理器，因此该 40 万个处理器就是计算机的节点。Post-K 每个机架将有 384 个节点，在最终的亿亿级计算机中将需要 1000 多个这样的机架 。如果在未来两年继续改进芯片，可以再次提高计算峰值。

处理器的节点这么多，说明计算机需有高性能互连能力。为此，A64FX 将配备一个片上网络控制器，通过一个叫“豆腐”的大规模并行互连网络来传输数据 。对于 Post-K ，这种结构将是一个 6 维 mesh/torus 网络，它有六个坐标轴：X、Y、Z、A、B 和 C，每个处理器（节点）提供 2 个通道，每个通道有 10 个每秒 28000 兆位的端口。每个 CPU 或节点的传输速度可达到 560000 兆位 。

图丨“豆腐”网络是如何在节点之间产生联系的（来源：IEEE Computer Society ）

Post-K 另一个突出之处是内存带宽 。A64FX 将使用 32GB 的封装 HBM2 内存为每个 CPU 提供高达 1024 GB/秒的速度。根据富士通的说法，他们能够在 Stream Triad 基准测试中实现超过 830 GB /秒的速度 ，超过处理器峰值带宽的 80％ 。富士通没有提到将这种芯片是否连接到传统的 DDR 内存。

在内部，48 + 4 内核分为四个核心内存组，也叫 CMG。CME 是 13 个核心，由 12 个计算核心和 1 个辅助核心组成。CME 处理 OS 函数，如 I/O 和守护进程处理。13 个内核中的每一个都配备了 64 KB 的 L1 缓存，能够以超过 11 TB/秒的速度传输数据 。而每个 CMG 都配备 8MB 二级缓存，运行速度超过 3.6 TB/秒。L2 高速缓存连接到存储器控制器和片上网络（NoC）的接口。NoC 可以和其他 CMG、豆腐网络和 PCIe 控制器产生连接。

图丨 A64FX 芯片的内部结构（来源：TOP500 官网）

平均而言，A64FX 的速度比 SPARC64 XIfx （富士通之前的高性能 CPU）快 2.5 倍 ，适用于各种高性能计算和人工智能的工作负载。A64FX 在流体动力学和地震波传播等领域的运算速度特别快，分别比 SPARC64 Xifx 快 3.0 倍和 3.4 倍。

图丨 A64FX 在高性能计算和人工智能领域的表现（来源：TOP500 官网）

在软件方面，Post-K 机器的客户富士通和日本理化学研究所正在为 A64FX 处理器和系统本身共同开发软件。基于 Arm 的系统软件和工具的开发人员 Linaro 以及各种开源和独立软件开发人员也将参与其中。预计到 2021 年时，富士通将开发出一整套高性能计算软件组件，包括 Linux，C / C ++和 Fortran 编译器，调试器，MPI，OpenMP，数学库，资源管理器和 Lustre 等 。

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编辑：黄张瀛

参考：

https://www.top500.org/news/fujitsu-reveals-details-of-processor-that-will-power-post-k-supercomputer/