超級電腦排名洗牌，架構差異下其實各有擅長的運算領域
在今年的超級電腦排行榜 Top500，台灣的高速科學計算中心的新超級電腦──台灣杉 2 號，採用和第一名 Summit 一樣的 CPU＋GPU 的異質計算架構，以 9 PetaFLOPS 獲得第 20 名，為台灣的基礎科學研究添增助力。然而除了 CPU＋GPU 的異質計算架構外，還有哪些不同的計算架構呢？不妨以過往世界第一的超級電腦說起吧。
如果有讀者還不認識 Top500 排行榜，以及他們排名的衡量標準可以先看這篇文章。
在過去十年裡，美中日世界前三大經濟體，都曾擁有世界第一超級電腦的頭銜。此外，這三國的世界第一超級電腦，都曾採用該國開發的處理器以及系統。證明各自的晶片系統設計能力，也象徵著國家科學研究技術的能力。
那麼，這 3 個國家的處理器有什麼差異？不妨從 2011 年，日本以自主的系統奪得世界超級電腦第一開始說起。
曾經的世界第一超級電腦──京
▲ Fujitsu SPARC64 VIIIfx 中，CPU 核心的架構圖。
2011 年，日本的超級電腦──京。採用 Fujitsu 的 SPARC64 VIIIfx。此 CPU 採用 45nm 製程，每一顆 CPU 內有 8 顆核心，並可帶來 128 GFLOPS 的雙精度浮點數計算效能。
從圖中可以發現每一顆核心有 4 個浮點數計算單元，也就是 FLA、FLB、FLC、FLD。藉由這一個方法，可以帶來更多的計算效能。
由於每一顆 CPU 的大小都一樣，沒有大小 Core 之分，這台超級電腦就像是將數萬顆 Intel CPU 組合起來一樣，清晰明瞭。
去年世界第一的超級電腦──神威太湖之光
2016 年，中國的神威太湖之光發表，為整個超級電腦社群投下一顆震撼彈。做為中國第一台自主發展的超級電腦，他接替了中國的天河二號從 2013 年寫下的世界第一紀錄，同時也宣告中國終於有辦法發展自己的超級電腦。
下圖便是神威太湖之光的處理器 SW26010 的架構圖。在一顆 SW26010 中，它的核心設計概念比較像是 GPGPU 以及 big.LITTLE 技術的結合，由一個較大的 Master core 完成較複雜的功能。小的核心則處理單純負責計算的功能，為簡單的計算核心。
▲ 神威太湖之光一顆 CPU 內，CPU 核心以及連結方式。
藉由工作的區分，一顆 CPU 便可以帶來 3.0642 TFLOPS，和當年的主流計算 GPU Tesla K80 相比，沒有太大的差距。不過由於此 CPU 為計算特化的 CPU，在日常應用中不會有更佳的使用體驗。
由於小的計算核心功能較簡單，為了讓小核心可以跟大核心協同運算，它採用 OpenACC 這一套開源軟體的標準，讓 master core 可以將工作分配給 slave cores。藉由 MPI、OpenMP 以及 OpenACC，讓開發者可以輕易地撰寫程式並在神威太湖之光內執行。
新的世界第一──Summit
今年，美國終於發表了他們新的超級電腦 Summit，從中國手中奪回超級電腦的榜首，結束從 2013 年至 2017 年由中國稱霸的日子。此外，台灣杉 2 號的運行架構跟 Summit 一樣，採用CPU＋GPU異質計算的方式，帶來龐大的計算效能。
Summit 和神威太湖之光不同的地方在於 SW26010 的異質計算核心是結合在 CPU 內部，Summit 的 CPU-GPU 異質計算則是以 CPU 將獨立 GPU 連結在一起運算，經由額外的傳輸介面將資料做交換。如圖所示。藉由 CUDA 以及 MPI，讓開發者得以撰寫平行程式。
3 台超級電腦，3 種架構
美中日的自主開發超級電腦，分別代表了 3 種不同超級電腦的解決方案。從京的以一顆 CPU 到太湖之光的異質整合 CPU，至 Summit 的 CPU＋GPU 異質計算的模式。這 3 種不同的技術皆曾占據過榜首，也因此沒辦法明確判斷不同技術的優勝劣敗。
但是在 Machine Learning 領域中，由於大部分的計算都是矩陣運算且運算的工作也是高度獨立的，CPU＋GPU 的異質模式可以滿足其需求。然而，當使用其他相對不好平行的演算法時，京的運行架構較為通用，較不會被應用領域侷限住。至於太湖之光則處於京以及 Summit 中間，擁有兩者的優點，但一般使用者無法使用，為客製化晶片，研發成本較高。
近期，美中日三國也都提出了 Exascale 超級電腦的計畫，欲將現在的超級電腦往 1,000 PetaFLOPS 推進。在近幾年 ，我們將看到精采的超級電腦榜首爭霸戰。
（首圖為 Summit；來源：ORNL）