日本计划2020年前开发成功“EXA级超级计算机”

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日本文部科学省日前立项了新一代超级计算机开发项目，要在2020年之前推出拥有“京”100倍处理能力的超级计算机——每秒可计算10的18次方的“EXA级超级计算机”。如果实现，可一举提高汽车、电子及医药等的设计和开发能力。

曾经的超级计算机如今已成为“掌中物”

超级计算机可以说是“在其诞生时代处理能力极高的计算机”。其原理和构成与其他计算机相同。处理速度世界第三的“京”的处理能力为10P（Peta，10的15次方）FLOPS（每秒的浮点运算处理次数），是市售高速个人电脑的数万倍。“超级计算机”的性能与时俱进，1997年曾击败国际象棋世界冠军的“深蓝”，其处理能力还不到最新款智能手机“iPhone 5”配备的“A6”处理器的一半。

现有超级计算机“京”的一部分。

世界各国都在不遗余力开发超级计算机。美国于1991年制定了HPC法（High-Performance Computing Act），作为国家项目由能源部、国防部及IBM公司等参与推进。据称，其2010年的超级计算机相关预算为18.83亿美元，力争在2020年使EXA级超级计算机投入运行。欧洲各国立项了共同开发项目，也在开发EXA级超级计算机。中国估计会在目前进行的5年规划和下一个5年规划之中，于2020年之前开发EXA级超级计算机，将在本国开发和生产微处理器。

各国将超级计算机作为国家项目，投入巨额预算来开发并不是为了“竞争性能的第一”，而是以其高速的高精度模拟，不仅有助于国防和防灾，还能成为提高制造业等多种产业竞争力的基础。与宇宙开发一样，要求最高性能的要素技术开发，有可带动其他产业发展的效果。

面向新一代半导体设计

日本文部科学省2012年2月设立了“今后的HPCI计划推进方式相关的讨论工作组”，一直在讨论未来10年HPCI（高性能计算基础设施）的形态。文部科学省研究振兴局信息科计算科学技术推进室室长林孝浩表示：“鉴于京的开发已经结束，和海外都在推进EXA级超级计算机开发的情况，我们将制定日本的新超级计算机战略。”2013年5月公开了中期报告草案，征集意见到6月12日。如果没有大的变更，将在确保预算的基础上，于2014年4月立项EXA级超级计算机项目。预算未定，预计为1000亿日元。

工作组举例介绍了在最近的评测中处理能力处于世界第三名的“京”能够模拟实现的结果，以及EXA级超级计算机能够模拟实现的结果。其中，与电子、机械领域有关的例子见下。均是在解释不了其原理或原理过于复杂，而无法从整体上把握现象的变化趋势时，对其进行混沌模拟加以预测的情况。从其结果也可能会对现象增进理解。

电子领域方面，列举了在有望配备于未来尖端LSI的硅纳米线晶体管设计中的应用。这种晶体管是以直径10nm～20nm的硅线为通道（电流路径）的FET（电场效应晶体管），容易实现高速化、高集成化和低耗电量化。在“京”上，对该硅纳米线内的电子流动状态，由1万个硅原子及其各自的电子状态，进行了数ps的模拟。如果是EXA级超级计算机，则可由100万个以上的原子，以ns水平对材料不同的栅极部分实施模拟。其结果，相较于用“京”只能确认优化通道形状和电流特性的可能性，EXA级超级计算机则有望优化晶体管整体的性能。

以碰撞分析减轻了人体伤害的汽车开发

在燃料电池和锂离子电池设计上的应用方面，能在原子和电子状态的水平上更高精度地模拟电极的反应。用“京”的原子数为数千，时间为数ns，而EXA级超级计算机能以数μs的时间模拟数万个原子。在高温超导线材料领域备受期待的强关联材料上，据称也很有可能利用EXA级超级计算机发现新材料。

在汽车领域，超级计算机可用来评测碰撞安全性。“京”能对车体进行碰撞解析（碰撞时的压力、变形和破损），而EXA级超级计算机可探明碰撞对乘客的影响。能够同时解析对骨头和内脏等的影响，可用于优化车体骨架和车内设备的配置。另外，据称还能用模拟取代分析空气动力的风洞实验。这将大幅提高需要实施风洞实验的飞机制造业的设计效率。

在医药领域，超级计算机有助于开发副作用较少的新药。“京”曾模拟开发中的新药候选物质对靶蛋白的影响。EXA级超级计算机能在短时间内分析新药候选物质对靶蛋白以外的多种蛋白质的影响。可在临床试验前确认意外的影响引发副作用的可能性。

两类机型将并行开发，还考虑与美国联手

EXA级超级计算机的具体开发方针和开发主体尚未确定。作为大方针，打算开发作为“京”的后续机型实现最高性能的旗舰机和较之于性能更重视特点的两种机型。开发重视特点的机型是为了满足广泛的需求，扩大超级计算机的应用范围。将开发多款具备存储容量极大、可降低运用成本等特点的超级计算机。

旗舰机的候选开发主体可能会有开发“京”的理化学研究所加入。这些候选主体将提出EXA级超级计算机的开发计划草案，从中择优选择。重视特点的机型也将通过同样的方式选定候选开发主体。关于预算，文部科学省的林表示，如果超过“京”的1100亿日元预算，“估计不会得到社会认可，因此会尽量缩减”。1000亿日元的预算预测好像就是这样得出的。

要素技术方面，中期报告草案中列举了半导体工艺、处理器、内存、三维安装、芯片间／处理器内核间光布线、板卡间光布线、主机设备间接口、节点间互联、存储器、节电技术、冷却技术、软件技术等。这些技术并不要求全部开发，而是根据成本和影响，由工作组选定其中的一部分。关于左右着开发成本的处理器，将在考虑其必要性之后决定是否开发。如果不开发，极有可能从海外采购。软件技术方面，将在利用“京”的软件资产的同时，面向EXA级超级计算机优化基于Linux的OS和中间件。另外，为了避免其成为日本的独有品而被海外孤立，还将考虑与美国的研究机构展开共同开发。（日经技术在线！ 供稿）