方 糧

（國防科技大學(xué) 高性能計算國家重點實驗室，湖南 長沙 410073）

0 引言

“超級計算機(jī)（Super Computer）”指的是計算機(jī)中功能最強(qiáng)、運算速度最快、存儲容量最大的一類計算機(jī)。這類計算機(jī)的內(nèi)存可能達(dá)到TB級，外存會達(dá)到幾千TB的量級，它一般應(yīng)用在高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，如氣象、軍事、金融、能源等。在信息化社會的今天，一個國家超級計算機(jī)的算力和所擁有的超級計算機(jī)數(shù)量，從一個側(cè)面反映了一個國家在信息化社會中的技術(shù)實力，是一個國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。

中國在1983年就研制出第一臺超級計算機(jī)“銀河一號”，成為繼美國、日本之后第三個能獨立設(shè)計和研制超級計算機(jī)的國家；之后，中國的超級計算機(jī)突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，也多次奪得TOP500全球第一超級計算機(jī)的名號。在即將到來的人工智能和大數(shù)據(jù)時代，超級計算機(jī)的應(yīng)用將會更加廣泛，同時也在向著更高性能、更快互聯(lián)、更高可靠性等方向發(fā)展。

1 TOP500情況分析

國際TOP500組織是一個為高性能計算機(jī)提供統(tǒng)計和排名的組織，主要針對高性能計算機(jī)制造商、用戶以及潛在用戶。TOP500組織從1993年開始對高性能計算機(jī)用Linpack（Linearsystem Package）程序進(jìn)行基準(zhǔn)測試，選擇前500個最優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行算力列表排序并在TOP500網(wǎng)站上進(jìn)行公布。TOP500組織每年兩次會發(fā)布全球已經(jīng)安裝的超級計算機(jī)榜單，該榜單以計算性能來排序，排序標(biāo)準(zhǔn)就是超級計算機(jī)的運算速度。以往的TOP500榜單一向是由美國的超級計算機(jī)所占據(jù)，特別是前十名，一般都是美國的，他們不僅單臺超級計算機(jī)的計算能力強(qiáng)，而且擁有的超級計算機(jī)數(shù)量最多。但是從“天河一號”超級計算機(jī)開始，這一情況逐漸發(fā)生了改變。

2009年，中國國防科技大學(xué)研制的“天河一號”超級計算機(jī)以每秒2570萬億次的運算速度，登頂全球第一。此后，“天河二號”和“神威·太湖之光”也相繼奪得了TOP500全球第一超級計算機(jī)TOP1的名號。2013年的11月和2016年的6月，再加上2014年和2015年每年兩次，“天河二號”一共連續(xù)六次獲得TOP1的稱號。

當(dāng)“天河二號”超越美國的超級計算機(jī)時，美國政府下令禁止英特爾出口超級計算機(jī)所使用的至強(qiáng)芯片。因為我們的“天河二號”是基于英特爾的至強(qiáng)芯片做的，當(dāng)“天河二號”得到TOP1的稱號后，當(dāng)時在任的美國總統(tǒng)奧巴馬幾次在國情咨文里提到感覺科技受到了威脅，所以對我們實行了禁運。（2015年4月9日，美國商務(wù)部發(fā)布了一份公告，決定拒絕英特爾公司向中國的國家超級計算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于“天河二號”系統(tǒng)升級的申請；國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)四家國家超算中心被列入出口管制名單，理由是“危害美國國家安全和外交利益”）2016年以后，“神威·太湖之光”使用了自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，連續(xù)4次奪得全球第一超級計算機(jī)稱號。這個“眾核”的“核”數(shù)比“多核”還要多，一個CPU里面有260個核，相當(dāng)于現(xiàn)在的1個CPU里面集成了原來的260個CPU，有260個處理器。

2020年6月，也就是最新的一屆即第55屆超級計算機(jī)排行榜，排第一位的是日本的Fugaku（富岳）超級計算機(jī)。日本以往的超級計算機(jī)也得過幾次世界第一，如2002年被稱為“地球模擬器”的超級計算機(jī)以及2001年的超級計算機(jī)“京”。Fugaku（富岳）超級計算機(jī)有288288個處理器，每個處理器里面有48個核，由富士通的48核A64FX提供支持，是基于ARM的核，共有7299072個核心；峰值速度為513855TFlop/s。

所謂的浮點計算峰值=處理器個數(shù)×處理器主頻，是一個理論值；而Linpack（HPL）則是浮點性能的綜合實際測試值，也是TOP500超級計算機(jī)排名的依據(jù)。Fugaku（富岳）超級計算機(jī)的Linpack（HPL）為415.5 petaflops，是目前排名第二的美國Summit系統(tǒng)的2.8倍。Fugaku（富岳）超級計算機(jī)以最高性能運行、處理單精度運算或進(jìn)一步降低精度的運算時，系統(tǒng)的性能超過1000 petaflops（1 exaflops）。新系統(tǒng)安裝在日本神戶的理研計算科學(xué)中心（RCCS）。排名第二的是美國的Summit，也是上一屆TOP500排名第一的超級計算機(jī)，其制造商為IBM，共有2414592個核心數(shù)，峰值速度為200795TFlop/s，Linpack（HPL）為148.6petaflops。排名第三的也是美國的Sierra，制造商為IBM，中文意思是“鋸齒狀的山脈”，它的外觀看起來也像一個連續(xù)的山體；其包含1572480個核心數(shù)，峰值速度為125712TFlop/s，Linpack（HPL）為94.6 petaflops。排名第四的是“神威·太湖之光”，由我國的國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心制造，其包含10649600個核心數(shù)，峰值速度為125436TFlop/s，Linpack（HPL）為93petaflops。排名第五的是我們的“天河二號”，由國防科技大學(xué)制造，其包含4981760個核心數(shù)，峰值速度為100679TFlop/s，Linpack（HPL）為61.4petaflops。以上是2020年最新的超級計算機(jī)TOP500排行前五名的情況。

在2019年11月的第54屆TOP500超算榜前十名中，美國的Summit和Sierra位居前2名，它們都是由IBM制造的，其采用了Power 9的CPU。Power 9是低功耗和嵌入式應(yīng)用比較多的處理器，以前很少用在超級計算機(jī)上；加速GPU采用NVIDIA Volta GV100。Summit的Linpack（HPL）為148.6petaflops，安裝在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL），該實驗室是美國能源部所屬最大的科學(xué)和能源研究實驗室。位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的Sierra超級計算機(jī)位居第二，其Linpack（HPL）為94.6petaflops。2019年11月TOP500前5名的情況如表1所示，Rmax是Linpack（HPL）浮點性能的綜合實際測試值，Rpeak是浮點計算峰值，即處理器個數(shù)×處理器主頻?！吧裢ぬ狻焙汀疤旌佣枴狈謩e排到了第三名和第四名，其余三個都是美國的。

表1 2019年11月TOP500排名前5的超級計算機(jī)Table 1 Top 5 supercomputers in the TOP500 in November 2019

2018年11月TOP500前五名的排名如表2所示。其中位居第一的也是美國的超級計算機(jī)Summit，它的制造商為IBM，核心數(shù)有2397824個；峰值速度為200795TFlop/s，由IBM和美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）研制，Summit要比“神威·太湖之光”快60%，比同在橡樹嶺實驗室的Sierra快50%。

表2 2018年11月TOP500排名前5的超級計算機(jī)Table 2 Top 5 supercomputers in the TOP500 in November 2018

2017年11月TOP500前五名的情況如表3所示。截止到2017年，“神威·太湖之光”和“天河二號”連續(xù)四次分列全球冠、亞軍。其中第五名是美國的Titan，在歷史上美國一直都是排在前列，排在前三之后也是很少有的事情。

表3 2017年11月TOP500排名前5的超級計算機(jī)Table 3 Top 5 supercomputers in the TOP500 in November 2017

2016年11月TOP500排名前五名的情況如表4所示。截止到2016年，由國防科技大學(xué)研制的“天河二號”超級計算機(jī)已在TOP500榜單上連續(xù)稱雄。在該年的最新榜單中，“天河二號”仍以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度排名第二。

表4 2016年11月TOP500排名前5的超級計算機(jī)Table 4 Top 5 supercomputers in the TOP500 in November 2016

2015年11月TOP500排名前五名的情況如表5所示。2015年，“天河二號”第六次獲得TOP500冠軍，Linpack（HPL）為33.83petaflops，使用了Intel Xeon的12核處理器及Xeon Phi 31S1P加速卡，總計擁有312萬個核心，整機(jī)功率17808kW。當(dāng)年，“神威·太湖之光”還沒有推出，排名第二、第三以及第五的都是美國的超級計算機(jī)，排名第四的是日本的K computer，中文譯名為“金”。

表5 2015年11月TOP500排名前5的超級計算機(jī)Table 5 Top 5 supercomputers in the TOP500 in November 2015

2 “天河二號”超級計算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

“天河二號”用的都是商業(yè)芯片，能夠奪得TOP500第一名是因為在研制過程突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)，包括：

第一，自主設(shè)計實現(xiàn)了創(chuàng)新性的異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)。即CPU+GPU的體系結(jié)構(gòu)，2019年“天河二號”使用該體系結(jié)構(gòu)之后，TOP500超級計算機(jī)里面的多臺系統(tǒng)都運用了這種模式。

第二，設(shè)計實現(xiàn)了先進(jìn)的微異構(gòu)計算陣列，提升了“天河二號”應(yīng)用軟件的兼容性、適用性和易用性。“天河二號”這樣的大系統(tǒng)，在使用上較為麻煩，而采用微異構(gòu)計算陣列，在兼容性、實用性以及易用性方面都有了較大提升。

第三，設(shè)計實現(xiàn)了光電混合的自主定制高速互連網(wǎng)絡(luò)，可高效均衡擴(kuò)展到十億億次系統(tǒng)互連。大系統(tǒng)運算過程中互相之間傳輸數(shù)據(jù)量較大，而且速度要求也比較高，因而互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個非常核心的技術(shù)。國防科技大學(xué)在這個領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的深入積累，可以擴(kuò)展到十億億次系統(tǒng)互聯(lián)和達(dá)到較高速度，已經(jīng)成為“天河二號”的核心技術(shù)之一。

第四，自主設(shè)計實現(xiàn)了層次式加速存儲架構(gòu)，支持全系統(tǒng)存儲容量和I/O性能的高效均衡可擴(kuò)展。系統(tǒng)大了以后，對數(shù)據(jù)存儲要求也會提高，不但要求數(shù)據(jù)容量大，而且速度也要比較快，“天河二號”采用了多層次的層次式加速存儲架構(gòu)，可以很好滿足系統(tǒng)要求。

第五，自主設(shè)計實現(xiàn)了新型并行編程模型OpenMC和多領(lǐng)域并行編程框架，提高了并行應(yīng)用軟件的易編程性和運行效率?！疤旌佣枴边@樣的大系統(tǒng)在運算時對編程有很高要求，專用編程模型和框架才能使系統(tǒng)性能得以很好發(fā)揮，運行效率也得以很好體現(xiàn)。

第六，支持十億億次系統(tǒng)的容錯設(shè)計與故障管理：采用多層次容錯設(shè)計，實現(xiàn)了一體化故障管理，提高了系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)較大的時候，出錯的概率也會比較大，比如一個大型運算任務(wù)，運行一段時間后，如一個星期，發(fā)現(xiàn)某一個節(jié)點出錯了，如果沒有相應(yīng)的容錯機(jī)制，一般需要終止該項作業(yè)和進(jìn)行重新計算，這樣會導(dǎo)致時間浪費。而容錯設(shè)計相當(dāng)于是在一個節(jié)點出問題之后，將該節(jié)點任務(wù)終止，然后將該節(jié)點對應(yīng)的作業(yè)任務(wù)分配到其他節(jié)點，使該項作業(yè)能得以繼續(xù)運行，通過降級使用節(jié)省運行時間。

第七，采用綜合化的能耗控制技術(shù)，提高了節(jié)能降耗水平，其能效比進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。超級計算機(jī)每年的耗電量可高達(dá)幾億千瓦時，能耗非常大。目前，TOP500里面還有一個Green500能效比的榜單，就是將運算速度和能耗之比，即每瓦性能比作為排序依據(jù)。在能耗水平上，“天河二號”與國際先進(jìn)水平也較為接近。

第八，設(shè)計實現(xiàn)了基于背板前后對插、水平盲插的高密度高精度組裝結(jié)構(gòu)，使計算密度進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。與“天河一號”相同占地面積情況下，“天河三號”性能提高了一個數(shù)量級以上。由于系統(tǒng)較為龐大，一個超級計算機(jī)系統(tǒng)通常需要一個籃球場大小的場地來放置機(jī)柜，如果組裝密度不夠高，會導(dǎo)致場地不夠用和無法放置。“天河二號”在結(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)了基于背板前后對插、水平盲插的高密度高精度組裝結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了這個問題。與此前排名世界第一的美國“泰坦”系統(tǒng)相比，占地面積是它的85%，性能卻是它的兩倍。

3 超級計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

作為國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施，超級計算機(jī)是真正意義上的“大國重器”，常用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，同時也為日常經(jīng)濟(jì)、科技、國防等領(lǐng)域一系列復(fù)雜、大型問題的解決提供了強(qiáng)大算力支撐。如地球環(huán)境和宇宙環(huán)境模擬、平安城市建設(shè)、生物醫(yī)學(xué)、中微子探測等。

3.1 模擬地球環(huán)境

借助于E級超算（E級超算是指每秒可進(jìn)行百億億次數(shù)學(xué)運算的超級計算機(jī)），人們可以更加順利地模擬現(xiàn)在地球環(huán)境的變化，比如詳細(xì)的大氣環(huán)流、海洋洋流情況，不但可以讓天氣預(yù)報更加準(zhǔn)確，也可以更加準(zhǔn)確模擬出全球的氣候“微變化”以及其所帶來的深度影響。超級計算機(jī)也可對較長時間，如半個月后某一局部區(qū)域的天氣狀況進(jìn)行較為準(zhǔn)確地預(yù)報，如臺風(fēng)、暴雨等，進(jìn)而實現(xiàn)對重要大型活動的保障。

3.2 模擬宇宙環(huán)境

每一顆航天器在發(fā)射之前都需要經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境測試，因此需要對其將要面臨的太空環(huán)境進(jìn)行模擬。而使用E級超算可以輕松實現(xiàn)。通過模擬，未來或許不需要太多的深空探索，便可以知道深空環(huán)境的狀況。這對航天器研制來說，可大大縮短時間。還比如我們要登陸火星，需要知道火星上氣候怎么樣，某時刻火星上的溫度、濕度怎么樣以及火星探測器到達(dá)既定軌道后，如何降落到火星表面。這些都可以通過超級計算機(jī)進(jìn)行模擬計算，進(jìn)而實現(xiàn)精確發(fā)射和精準(zhǔn)控制。

3.3 平安城市建設(shè)

借助于超級計算機(jī)，我們可以進(jìn)行智能監(jiān)控場景下的大規(guī)模并行化視頻分析。如通過平安城市系統(tǒng)的攝像頭，動態(tài)采集圖像，跟蹤某一個人的行動軌跡，并通過人工智能對其人臉和姿態(tài)進(jìn)行識別。因為在監(jiān)控攝像頭里可能看到的是目標(biāo)人物的背影或側(cè)臉，這種情況下需對人臉和背影進(jìn)行對比識別，即自動把多個攝像頭采集到的數(shù)據(jù)通過大規(guī)模高速實時計算以后，分析出目標(biāo)的行動軌跡，比如是從哪個出口到了哪個出口、從機(jī)場出來以后坐了什么車、到了什么位置下車、進(jìn)了哪個小區(qū)或者進(jìn)了哪個單元。因此，超級計算機(jī)可以通過對采集視頻的大規(guī)模高速實時計算實現(xiàn)對目標(biāo)行動軌跡的適時跟蹤，為平安城市和平安中國建設(shè)提供保障。

3.4 生物醫(yī)學(xué)模擬分析

如在重癥治療方面，現(xiàn)在都是由醫(yī)生給出治療方案，而借助E級超算可以直接對醫(yī)生的方案進(jìn)行模擬，并根據(jù)病人的情況糾正方案的不足之處，甚至直接提出問題解決方案。如通過藥物之間的關(guān)系，對藥物的治療作用和效果進(jìn)行模擬，即分子生物學(xué)模擬，或者通過基因分析，對最佳用藥或治療方案進(jìn)行預(yù)測。

3.5 中微子探測

暗物質(zhì)是宇宙的主要物質(zhì)構(gòu)成，中微子與暗物質(zhì)的凝聚效應(yīng)導(dǎo)致暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量函數(shù)的改變，最終導(dǎo)致星系的特性發(fā)生變化，這為宇宙學(xué)觀測開辟了一條獨立測量中微子質(zhì)量的道路。大規(guī)模宇宙學(xué)數(shù)值模擬依賴具有強(qiáng)大計算和存儲能力的超級計算機(jī)。2015年，由北大與北師大組成的科研團(tuán)隊利用“天河二號”超級計算機(jī)完成了3萬億粒子數(shù)的N體數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的暗物質(zhì)和中微子的演化進(jìn)程。該N體數(shù)值模擬于2015年初在“天河二號”上完成，其模擬粒子數(shù)超過美國Mira超級計算機(jī)所進(jìn)行的模擬，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，并首次發(fā)現(xiàn)了中微子在宇宙結(jié)構(gòu)中的凝聚效應(yīng)，開辟了一條獨立測量中微子質(zhì)量的道路。該項研究成果發(fā)表在6月5日出版的《自然·天文學(xué)》上。而對于一般的計算機(jī)來說，由于計算量和數(shù)據(jù)量非常之大，很難完成這樣大規(guī)模的模擬。

4 超級計算機(jī)的發(fā)展趨勢

歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，超級計算機(jī)在多個領(lǐng)域中發(fā)揮了重要支撐作用，也成為尖端科技突破的重要“發(fā)動機(jī)”。超級計算機(jī)未來的發(fā)展趨勢是：更高性能、更快互聯(lián)、更高可靠性、更高效的編程環(huán)境以及更高的能效。

4.1 更高性能

從現(xiàn)在超級計算應(yīng)用和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求來看，我們需要更快、算力更強(qiáng)的高性能超級計算機(jī)。從性能要求上來說，超級計算機(jī)未來的發(fā)展趨勢是多態(tài)體系結(jié)構(gòu)、更多CPU核、更快的工作主頻以及更快的存儲系統(tǒng)。

（1）多態(tài)體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們采用CPU+GPU的體系結(jié)構(gòu)；還有學(xué)者提到存算融合體系，目前還不成熟，所以還沒被應(yīng)用到超級計算機(jī)上。但是像乘加運算這種運算方式，加速效果還是較為明顯的。

（2）更多的CPU核

一個CPU里面原來是雙核、四核，現(xiàn)在已經(jīng)做到了幾十核甚至幾百核，理論上來說CPU核多了，其速度會快，但怎樣發(fā)揮多個核的作用，目前還是很大的問題。

（3）更快的工作主頻

像英特爾做了幾十年的CPU，但主頻到3G左右就很難再提高，因為MOS電路物理限制原因，提高主頻是一個非常困難的事情。后摩爾時代，相信也會有更多新的探索來解決這個問題。

（4）更快的存儲系統(tǒng)

存儲和計算密不可分，超算需要存儲器存儲中間結(jié)果，也需要存儲器存儲最終結(jié)果，以及存儲和讀取供計算用的原始數(shù)據(jù)。因此在體系結(jié)構(gòu)、多層次、存儲芯片上也需要更多的深入研究，推進(jìn)超算技術(shù)的發(fā)展。

存儲芯片包括動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM（Dynamic Random Access Memory）、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM（Static RandomAccess Memory）、閃存FLASH、相變存儲器PRAM（Phase Change Random Access Memory）、阻變存儲器RRAM（Resistive Random Access Memory）、磁阻隨機(jī)存儲器MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory）。DRAM和SRAM是現(xiàn)在電腦里一般都在用的存儲器；FLASH是U盤和SSD里面用的閃存，但其可承受的寫入次數(shù)有限制；新型存儲器PRAM、RRAM和MRAM這幾種在研究和產(chǎn)業(yè)化上都很活躍，從原理上來說，PRAM和MRAM的機(jī)理和可仿真性都很清楚，RRAM還在探索中。RRAM我個人覺得它的機(jī)理不是很清楚，工作的穩(wěn)定性和可靠性還有待提高；它的單元結(jié)構(gòu)是1T1R，即一個電阻和一個晶體管，結(jié)構(gòu)簡單，速度也比較快，功耗也很低，有些優(yōu)勢。它根據(jù)施加在金屬氧化物上的電壓的不同，使材料的電阻在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生相應(yīng)變化，但電阻是怎么改變的，機(jī)理上還不是特別清楚。對此，我們也做了很多研究，我們用的金屬氧化物是較為普通和常見的二氧化鈦，電極用金或者鉑，通過多次的曲線測量來研究氧空位機(jī)制與金屬導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制的氧化物薄膜的阻變特性，綜合來看RRAM的機(jī)理還不是特別清晰，在可靠性和穩(wěn)定性方面還有待提升。

MRAM的機(jī)理比較清楚，速度也很快，而且?guī)缀鯖]有壽命限制。目前MRAM經(jīng)歷了STT-MRAM(Spin Transfer Torque MRAM)、pSTT-MRAM（perpendicular Spin-transfer Torque MRAM），在研究工作上已經(jīng)到了第四代的SOT-MRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）。第一代的MRAM是通過大電流產(chǎn)生磁場進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，容量也比較小。第二代MRAM基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，基于自旋轉(zhuǎn)移矩技術(shù)的存儲器STT-MRAM給MRAM技術(shù)帶來了大的發(fā)展。到了第三代MRAM，利用垂直磁化取向的介質(zhì)的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存儲器pSTT-MRAM，通過介質(zhì)磁化方向的垂直排列，具有更小的位元面積，在容量方面具有一些優(yōu)勢。利用自旋軌道轉(zhuǎn)矩(Spin Orbit Torque，SOT)效應(yīng)來翻轉(zhuǎn)磁性隧道結(jié)MTJ（Magnetic Tunnel Junction）中自由層的磁矩，這就是第4代MRAM，即SOT-MRAM。研究發(fā)現(xiàn)，自旋軌道的轉(zhuǎn)移比較明顯，所以它在自由層的翻轉(zhuǎn)方面具有優(yōu)勢，日本東北大學(xué)國際綜合電子技術(shù)研發(fā)中心主任遠(yuǎn)藤哲郎和電氣通信研究所大野教授已經(jīng)宣布開發(fā)出可實際運用的SOT樣片，并且成功演示了SOT-MRAM單元的操作。

綜合來說，MRAM具有較好應(yīng)用前景，且其讀寫速度已進(jìn)入SRAM檔次，雖然比高速的SRAM稍慢一些，但將來改進(jìn)以后將會取代計算機(jī)的內(nèi)存和實現(xiàn)大容量的計算存儲緩沖。MRAM目前的定位還是在計算存儲器，因為目前從容量上來說，F(xiàn)LASH的容量可以做到1T以上，MRAM目前市場產(chǎn)品雖然可以達(dá)到256Mb，但與DRAM和FLASH相比還有較大差距需要追趕。因此，MRAM通過技術(shù)更新?lián)Q代，提高容量、性能和可靠性，降低功耗也是一個艱巨的任務(wù)。

4.2 更快互聯(lián)

光的傳輸速度比較快、干擾小且在光纜進(jìn)行傳播時噪聲也較小。通過光電轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)可以從一個計算節(jié)點到另一個計算節(jié)點；同時計算節(jié)點和存儲節(jié)點之間也需要更快的互聯(lián)。因此，光電混合的高速互聯(lián)技術(shù)是未來發(fā)展趨勢。

4.3 更高可靠性

第一，故障診斷、定位和隔離。比如某節(jié)點壞掉之后，可以通過互聯(lián)把該節(jié)點切掉，其他節(jié)點繼續(xù)正常運算。

第二，智能容錯和優(yōu)雅地降級（GRACEFULLY DEGRADE）。比如原來使用128個節(jié)點進(jìn)行計算，計算1個月之后發(fā)現(xiàn)有1個節(jié)點或2個節(jié)點壞掉了，可以把這一半的節(jié)點切掉，剩下的一半節(jié)點即64個節(jié)點繼續(xù)運算和完成任務(wù)。這樣可能會慢一點，但任務(wù)還能繼續(xù)。在實際應(yīng)用中，像石油勘探，通過地震采集到的數(shù)據(jù)量非常大，可能是一卡車錄音帶需要通過超算進(jìn)行分析，計算1個月后發(fā)現(xiàn)某1個節(jié)點壞了，在傳統(tǒng)的做法下就需要重新進(jìn)行分析，這樣就浪費了1個月時間。而通過智能容錯技術(shù)，優(yōu)雅地降級以后，切掉部分節(jié)點，剩余節(jié)點繼續(xù)計算，即使原來只需要1天時間出結(jié)果而現(xiàn)在需要1個星期，也比白白計算1個月要好很多。

第三，任務(wù)高效遷移。與智能容錯和優(yōu)雅地降級密切相關(guān)，就是任務(wù)高效遷移技術(shù)。即出錯任務(wù)的節(jié)點能退回到某一個固定點，然后將其遷移到另一個節(jié)點上繼續(xù)計算。

4.4 更高效的編程環(huán)境

大型計算機(jī)系統(tǒng)在運行時，對編程也有很高的要求。如在我國研制大飛機(jī)C909時，需要對機(jī)殼進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真模擬，以減少風(fēng)阻和振動，同時提高平衡性。還如高速行駛汽車的空氣動力學(xué)模擬以使風(fēng)阻最小，還如汽車發(fā)生碰撞后其形狀會如何變化以及怎樣保障人身安全，這些都可以通過超級計算機(jī)進(jìn)行仿真，為飛機(jī)和汽車的設(shè)計制造提供依據(jù)。而這些模擬都需要仿真軟件和OPENFORM等框架，提供數(shù)據(jù)之后可以自動生成代碼進(jìn)行仿真計算，形成易用和好用的編程環(huán)境、用戶友好的編程框架。

4.5 更高的能效

能效即為FLOPS/WATT，國際上GREEN500就是按照能效進(jìn)行排名的?！疤旌佣枴钡墓β适?8MW，運行起來相當(dāng)于一個小城鎮(zhèn)的用電量，而我國秦山核電站第一期工程的裝機(jī)容量是26~28MW，可見能耗之大。因此更高的能效也是未來一個重要的發(fā)展趨勢。