天河二號

天河二號（簡稱：TH-2），是一組由中國人民解放軍國防科技大學研製的異構超級電腦，為天河一號超級電腦的後繼。天河二號的組裝和測試由國防科技大學和浪潮集團來負責，於2013年底入駐位於廣東省廣州市的中山大學廣州校區東校園內的國家超級計算廣州中心並進行驗收，2013年底交付使用後對外開放接受運算專案任務，用於實驗、科研、教育、工業等領域。^[2]天河二號造價達一億美元，^[3][4]整個系統佔地面積達720平方米。^[5]天河二號於2013年6月起至2016年6月之前，為世界上最快的超級電腦^[6]。目前，天河二號由國防科技大學和中山大學共同使用和維護。不過美國以擔心「天河二號」進行核子研究為由，禁止英特爾出口晶片給中國，此後中國展開了自主設計道路。^[7]

天河二號

啟用時間	2013年
承建商	國防科技大學、浪潮集團、「863計劃」以及「核高基」
作業管理者	國家超級計算廣州中心
置放地點	中國廣東省廣州市 中山大學廣州校區東校園
架構	英特爾處理器Xeon E5-2692 v2， 英特爾Xeon Phi協處理器/運算加速卡， 國產飛騰處理器1500[1] 麒麟作業系統
最大消耗功率	17.6MW （整機附帶散熱系統時為24MW）
容積、佔地面積	720平方米
內部儲存器	1,375TiB （1,000TiB為系統記憶體，375TiB為協處理器獨占）
外部儲存器	12.4PB
運算速率	54.9PFLOPS（理論峰值） 33.86PFLOPS（實際峰值）
造價	一億美元
用途	科學研究

硬體組態

天河二號的型號為TH-IVB-FEP，使用中央處理器神威太湖之光及協處理器天河二號的運算架構佈局：^{[8][2][9][10]}

天河二號共有16,000個運算節點，每節點配備兩顆Xeon E5 12核心的中央處理器、三個Xeon Phi 57核心的協處理器（運算加速卡）。累計32,000顆Xeon E5主處理器和48,000個Xeon Phi協處理器，共312萬個計算核心。

處理器

• 中央處理器為英特爾提供的，運作時脈為2.2GHz的Xeon E5-2692v2 12核心處理器，基於英特爾Ivy Bridge微架構（Ivy Bridge-EX核心），採用22奈米製程，峰值效能0.2112TFLOPS。
• 運算加速使用基於英特爾整合眾核架構的Xeon Phi 31S1P協處理器，執行時脈頻率為1.1GHz，擁有57個x86核心（實際上擁有61個核心，因啟用全部核心時會存在運算周期協調衝突之問題，因此先遮蔽4個x86核心），每個x86核心藉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。
  • 基於美國商務部限制中國的超算購買使用Xeon Phi的考慮，2017年開始使用自主研發的Matrix-2000代替Xeon Phi作為協處理器的升級計劃。^[11][12][13]

儲存器

• 主記憶體
  • 每個節點擁有64GiB主記憶體，而每個Xeon Phi協處理器板載8GiB主記憶體，故每節點共88GiB主記憶體，整體總計主記憶體1,375TiB (1.34PiB)。
• 外存
  • 12.4PiB容量的硬碟陣列

主機板、機架、機櫃、運算陣列

• 主機板、機架與機櫃均由浪潮集團製造，共有170個機櫃，每個機櫃容納4個機框，每個機框容納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。^[14]
  • 各運算陣列中，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Xeon Phi，CPM部分承載1塊Xeon Phi+4顆Xeon E5。
  • APU模組和CPM模組之間以CPU內部提供的PCI-E 3.0 16x介面進行連接，但實際由於Xeon Phi的硬體限制，僅支援至PCI-E 2.0 16x，單連結資料傳輸速率為10Gbps。

前端處理器

• 計算節點前端處理器為4096顆中國國防科技大學研發的FT-1500 16核心SPARC V9架構的處理器，40奈米製程，運作時脈1.8GHz，熱設計功耗65瓦，峰值效能144GFLOPS。主要作運算任務排程管理之用。

連接性

• 其高速互聯架構使用光電混合傳輸技術（Optoelectronics Hybrid Transport Technology），以及自製的TH Express-2樹形主幹拓撲結構網路連線，以13個大型路由器通過576個連接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奈米製程，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-E 2.0介面連結，資料傳送速率6.36GB/s。

能耗

• 整機功耗17.808兆瓦，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。尚未全速運行時一年的用電費用就高達1億元人民幣，全速運行的話更高達1.5億元。^[15]
• 電源管理附帶綜合化能耗控制技術，也由國防科技大學負責開發。
• 以6月17日公佈的數據推算，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。

軟體支援

• 麒麟作業系統、基於SLURM（Simple Linux Utility for Resource Management，資源管理用單一Linux公用程式）的全域資源管理。
• 在UbuntuOpenStack上運作的雲端運算系統、Ubuntu Juju雲端服務排程引擎以及基於Ubuntu Server為中國客制的Kylin Cloud Linux作業系統。在2014年5月已分配256個節點運行，未來將擴展至超過6400個節點。^[16]

除作業系統以外，均由國防科技大負責開發的並列編程模型與框架、系統容錯設計與故障管理軟體等。

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，超越泰坦超級電腦（Rpeak 27,112.5TFLOPS，Rmax 17,590.0TFLOPS），成為當時世界上最快的超級電腦。這個成績於2013年6月17日提交至TOP500。^[17]實際上，在早前的運行測試中，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%。^[8]國際TOP500組織2013年11月18日公布了最新全球超級電腦500強排行榜榜單，「天河二號」以比第二名美國的「泰坦」快近一倍的速度登上榜首。^[18][17]

同樣在2013年6月，天河二號以2,061GTEPS（英語：traversed edges per second）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^[19]。

意義及用途

電機電子工程師學會認為天河二號的落成以及重登TOP500第一「標誌著中國堅定承諾將在超級電腦領域發起一輪軍備競賽」。^[20]在當時的TOP500中，中華人民共和國擁有66組超級電腦，僅次於美利堅合眾國的252組系統。^[21]TOP500排行榜主要編撰人之一、美國田納西大學電腦學教授傑克·唐加拉對新華社記者說：「『天河二號』是一個非常強大的計算系統，它在第一名的位置上再占據一年時間，我也不會感到驚訝。」^[22]

就技術性意見而言，天河二號的工程新聞發言人李楠認為，因為中國大陸自家研發的處理器和英特爾的處理器存在軟體相容性問題，而且兩者之間的效能差距有目共睹，因此運算節點仍不得不使用英特爾的處理器，而並行運算系統也需不時地進行最佳化改進。^[3][4]

天河二號投入使用後將用於科學研究、工業設計等目的（包括計算化學^[23]、生命科學、材料科學、大氣科學、地球物理、宇宙、經濟學、大型基因組分析組合、基因測序、環境污染治理等等），對外開放接受運算專案任務，主要為中國大陸、港澳地區等地提供高效能運算服務，^[24][8]也會與國際上的其它科學研究機構合作並提供運算資源。^[25]也會承接來自中華人民共和國政府的一些國家安全資訊的處理任務。^[26]

正式運行以後有120多家使用者提供超過300項運算專案，其中有：^[25]

• C919客機的高精確度外流場空氣動力參數的運算
• 中科院上海藥物研究所的75萬個小分子化合物的結合親和力評估專案（至2014年6月已完成600種藥物的體內體外活性測試評估）
• 連結廣州市電子政務資料管理系統以及其雲端儲存系統

參見

• 超級電腦
• 神威·太湖之光
• 泰坦 (超級電腦)
• 天河一號
• TOP500
• 中國超級計算機行業