北京
上篇文章中，我們了解了“神威·太湖之光”曾是世界上最快的超級計算機，代表著中國在算力領(lǐng)域的一次重大突破。但很多人不知道，它的真正核心，不是龐大的機房設(shè)備，而是一顆中國“芯”——申威處理器。
一臺超級計算機跑得快，并不稀奇；能靠自己造跑得快的芯片，才是真本事。這背后的故事，是中國從“能用超算”到“能造超算”的關(guān)鍵一步。本篇文章，我們就聚焦于這顆中國自主設(shè)計的芯片——SW26010。
SW26010芯片
（圖片來源：國家超級計算無錫中心）
“超算的大腦”：我國自主研發(fā)的申威處理器
申威不是一臺機器，而是一種國產(chǎn)高性能處理器的統(tǒng)稱。尤其是在“神威·太湖之光”這臺超級計算機中，所采用的正是名為SW26010的申威處理器。換句話說，“申威”是“神威”的大腦，是驅(qū)動這臺超級計算機完成千萬億次運算的計算核心。
這顆芯片是中國自主研發(fā)、完全不依賴國外架構(gòu)授權(quán)的處理器，具有以下幾個關(guān)鍵特點：每顆SW26010芯片包含260個計算核心，包括256個運算核心和4個管理核心，整個神威系統(tǒng)共搭載了40960顆芯片，總計超過1065萬個計算核心。
芯片采用“低頻高并行”策略，適合高效執(zhí)行大規(guī)?？茖W(xué)計算任務(wù)?！暗皖l高并行”指的是不追求單個處理器核心的高主頻，而是通過集成大量低頻核心來實現(xiàn)整體計算能力的提升。相比傳統(tǒng)的“高頻少核”方案，這種方式能顯著降低能耗和發(fā)熱，提升系統(tǒng)的能效比。
SW26010架構(gòu)以及從核陣列結(jié)構(gòu)邏輯示意圖
（圖片來源：國家超級計算無錫中心）
SW26010-Pro：升級版“中國芯”
在SW26010的基礎(chǔ)上，我國還研發(fā)出了SW26010-Pro處理器，它是“神威·太湖之光”后續(xù)型號超級計算機所使用的核心芯片。
與SW26010相比，SW26010-Pro在計算性能、存儲帶寬、能效比、指令集兼容性和編程友好性等方面都有明顯提升。W20610-Pro由6個核心組和1個協(xié)議處理單元組成，每個核心組包含64個計算處理元素，總計384個內(nèi)核，而SW26010只有4個核心組，并且每個核心組都有自己的內(nèi)存控制器，理論帶寬達到了307.2GB/s，解決了上一代中某些核心互聯(lián)與內(nèi)存訪問瓶頸，提升了多核之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。
此外，它還增強了對異構(gòu)計算架構(gòu)的支持，更適配未來大規(guī)模并行任務(wù)的需求。
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在“神威”使用“申威”的那一刻起，中國邁出了超算領(lǐng)域關(guān)鍵的一步：不再依賴國外芯片，而是走上了自主可控的道路。那么，為什么自研處理器這么重要？原因可以歸結(jié)為四個層面：
1.避免“卡脖子”風(fēng)險
曾幾何時，中國的超級計算機系統(tǒng)使用的芯片常從國外進口。但在2015年，美國政府限制向中國出口高性能計算芯片，使得“天河二號”升級計劃被迫中止。正是這一事件，直接促使“神威·太湖之光”全面轉(zhuǎn)向國產(chǎn)處理器“申威”。自研芯片，不僅是技術(shù)能力，更是“算力主權(quán)”的保障。
2.滿足國家戰(zhàn)略需求
超級計算機不只是科研工具，它是涉及國防安全、氣候預(yù)測、能源開發(fā)等多個關(guān)鍵領(lǐng)域的“科技基石”。如果關(guān)鍵芯片依賴進口，一旦被封鎖，整個系統(tǒng)將面臨癱瘓風(fēng)險。唯有自主研發(fā)處理器，才能確保國家最核心的科研和安全任務(wù)順利進行。
3.節(jié)能高效、針對性強
國外通用芯片是為“泛用途”設(shè)計的，即采用通用計算架構(gòu)，旨在適應(yīng)廣泛的、多樣化的計算需求，而非專門針對某一特定領(lǐng)域優(yōu)化。而申威處理器從一開始就專為高性能并行計算優(yōu)化。它采用大量核心、低頻協(xié)同的架構(gòu)，適合大規(guī)?？茖W(xué)模擬、復(fù)雜工程仿真等任務(wù)，在能耗控制和并行效率上具有明顯優(yōu)勢。申威并不追求“單核最快”，而是追求“整體最適合超算”。
總之，自研“申威”，不僅僅是為了實現(xiàn)自主可用，更是為了擺脫受制于人的困境，掌握技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。“神威”的超強算力令人驚嘆，但更令人自豪的，是“申威”這顆完全自主的“中國芯”。從芯片到整機，從被動使用到自主設(shè)計，我們不只是造出了一臺超級計算機，更邁出了自主可控、掌握核心技術(shù)的堅實一步。真正的算力強國，不僅要跑得快，更要掌握方向盤。
不過，硬件的強大僅僅是起點，真正的價值在于它如何將算力轉(zhuǎn)化為解決實際問題的“超級力量”。這樣一臺配備自主研發(fā)的芯片、具有強大算力的超級計算機，到底有什么具體的用途呢？我們將在下一篇文章揭曉。
參考文獻：
[1] 胡怡, 陳道琨, 楊超, 等. 國產(chǎn) SW26010-Pro 處理器上 3 級 BLAS 函數(shù)眾核并行優(yōu)化[J]. 軟件學(xué)報, 2023, 35(3): 1569-1584.
出品：科普中國
作者：楊超（中國科普作家協(xié)會）
監(jiān)制：中國科普博覽
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