天河二号

**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。天河二號造價達一億美元，整個系統佔地面積達 720 平方米。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。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。不過樹大招風，美國以擔心「天河二號」進行核子研究為由，此後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。

## 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：

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。

### 儲存器

* 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 記憶體，故每節點共 88GiB 記憶體，整體總計記憶體 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。
  * 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。
* 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。

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。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%。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。

同樣在 2013 年 6 月，天河二號以 2,061GTEPS 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。

## 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」。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。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。」

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。

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、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，也會與國際上的其它科學研究機構合作並提供運算資源。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。

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：

* 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

## 參考文獻

## 外部連結

YouTube 上的軍事科技 揭秘「天河二號」超級電腦，始於 0 分 24 秒（中文）

* Jack Dongarra: Visit to the National University for Defense Technology Changsha, China （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 10 萬顆 Xeon Phi 天河二號要做全球第一 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中國「天河二號」成為全球最快超級計算機 (2013/11) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中國天河二號運算效能大幅超越目前超級電腦冠軍
* 央視 - 中國天河 2 號 2014 年三度成全球最快超級計算機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中國天河二號成全球最快計算機 速度超亞軍 1 倍 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）