日本計劃2020年前開發成功“EXA級超級計算機”

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日本文部科學省日前立項了新一代超級計算機開發項目，要在2020年之前推出擁有“京”100倍處理能力的超級計算機——每秒可計算10的18次方的“EXA級超級計算機”。如果實現，可一舉提高汽車、電子及醫藥等的設計和開發能力。

曾經的超級計算機如今已成為“掌中物”

超級計算機可以說是“在其誕生時代處理能力極高的計算機”。其原理和構成與其他計算機相同。處理速度世界第三的“京”的處理能力為10P（Peta，10的15次方）FLOPS（每秒的浮點運算處理次數），是市售高速個人電腦的數萬倍。“超級計算機”的性能與時俱進，1997年曾擊敗國際象棋世界冠軍的“深藍”，其處理能力還不到最新款智能手機“iPhone 5”配備的“A6”處理器的一半。

現有超級計算機“京”的一部分。

世界各國都在不遺余力開發超級計算機。美國於1991年制定了HPC法（High-Performance Computing Act），作為國家項目由能源部、國防部及IBM公司等參與推進。據稱，其2010年的超級計算機相關預算為18.83億美元，力爭在2020年使EXA級超級計算機投入運行。歐洲各國立項了共同開發項目，也在開發EXA級超級計算機。中國估計會在目前進行的5年規劃和下一個5年規劃之中，於2020年之前開發EXA級超級計算機，將在本國開發和生產微處理器。

各國將超級計算機作為國家項目，投入巨額預算來開發並不是為了“競爭性能的第一”，而是以其高速的高精度模擬，不僅有助於國防和防災，還能成為提高制造業等多種產業競爭力的基礎。與宇宙開發一樣，要求最高性能的要素技術開發，有可帶動其他產業發展的效果。

面向新一代半導體設計

日本文部科學省2012年2月設立了“今后的HPCI計劃推進方式相關的討論工作組”，一直在討論未來10年HPCI（高性能計算基礎設施）的形態。文部科學省研究振興局信息科計算科學技術推進室室長林孝浩表示：“鑒於京的開發已經結束，和海外都在推進EXA級超級計算機開發的情況，我們將制定日本的新超級計算機戰略。”2013年5月公開了中期報告草案，征集意見到6月12日。如果沒有大的變更，將在確保預算的基礎上，於2014年4月立項EXA級超級計算機項目。預算未定，預計為1000億日元。

工作組舉例介紹了在最近的評測中處理能力處於世界第三名的“京”能夠模擬實現的結果，以及EXA級超級計算機能夠模擬實現的結果。其中，與電子、機械領域有關的例子見下。均是在解釋不了其原理或原理過於復雜，而無法從整體上把握現象的變化趨勢時，對其進行混沌模擬加以預測的情況。從其結果也可能會對現象增進理解。

電子領域方面，列舉了在有望配備於未來尖端LSI的硅納米線晶體管設計中的應用。這種晶體管是以直徑10nm∼20nm的硅線為通道（電流路徑）的FET（電場效應晶體管），容易實現高速化、高集成化和低耗電量化。在“京”上，對該硅納米線內的電子流動狀態，由1萬個硅原子及其各自的電子狀態，進行了數ps的模擬。如果是EXA級超級計算機，則可由100萬個以上的原子，以ns水平對材料不同的柵極部分實施模擬。其結果，相較於用“京”隻能確認優化通道形狀和電流特性的可能性，EXA級超級計算機則有望優化晶體管整體的性能。

以碰撞分析減輕了人體傷害的汽車開發

在燃料電池和鋰離子電池設計上的應用方面，能在原子和電子狀態的水平上更高精度地模擬電極的反應。用“京”的原子數為數千，時間為數ns，而EXA級超級計算機能以數μs的時間模擬數萬個原子。在高溫超導線材料領域備受期待的強關聯材料上，據稱也很有可能利用EXA級超級計算機發現新材料。

在汽車領域，超級計算機可用來評測碰撞安全性。“京”能對車體進行碰撞解析（碰撞時的壓力、變形和破損），而EXA級超級計算機可探明碰撞對乘客的影響。能夠同時解析對骨頭和內臟等的影響，可用於優化車體骨架和車內設備的配置。另外，據稱還能用模擬取代分析空氣動力的風洞實驗。這將大幅提高需要實施風洞實驗的飛機制造業的設計效率。

在醫藥領域，超級計算機有助於開發副作用較少的新藥。“京”曾模擬開發中的新藥候選物質對靶蛋白的影響。EXA級超級計算機能在短時間內分析新藥候選物質對靶蛋白以外的多種蛋白質的影響。可在臨床試驗前確認意外的影響引發副作用的可能性。

兩類機型將並行開發，還考慮與美國聯手

EXA級超級計算機的具體開發方針和開發主體尚未確定。作為大方針，打算開發作為“京”的后續機型實現最高性能的旗艦機和較之於性能更重視特點的兩種機型。開發重視特點的機型是為了滿足廣泛的需求，擴大超級計算機的應用范圍。將開發多款具備存儲容量極大、可降低運用成本等特點的超級計算機。

旗艦機的候選開發主體可能會有開發“京”的理化學研究所加入。這些候選主體將提出EXA級超級計算機的開發計劃草案，從中擇優選擇。重視特點的機型也將通過同樣的方式選定候選開發主體。關於預算，文部科學省的林表示，如果超過“京”的1100億日元預算，“估計不會得到社會認可，因此會盡量縮減”。1000億日元的預算預測好像就是這樣得出的。

要素技術方面，中期報告草案中列舉了半導體工藝、處理器、內存、三維安裝、芯片間?處理器內核間光布線、板卡間光布線、主機設備間接口、節點間互聯、存儲器、節電技術、冷卻技術、軟件技術等。這些技術並不要求全部開發，而是根據成本和影響，由工作組選定其中的一部分。關於左右著開發成本的處理器，將在考慮其必要性之后決定是否開發。如果不開發，極有可能從海外採購。軟件技術方面，將在利用“京”的軟件資產的同時，面向EXA級超級計算機優化基於Linux的OS和中間件。另外，為了避免其成為日本的獨有品而被海外孤立，還將考慮與美國的研究機構展開共同開發。（日經技術在線！ 供稿）