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Infineon

超級電腦的世紀之爭 得天下者必用台積電

  • 詹益仁

IBM及英特爾的處理器過去都是超級電腦的常勝軍,然而受制於自身先進半導體製程技術的延宕,卻讓超微及NVIDIA兩家fabless於近期捷足先登。Unsplash

最近有3件報導都跟超級電腦有密切的關係,首先是日本的富岳(Fugaku)超級電腦在六月奪得世界第一的榮譽。這是日本在睽違了十多年之後,重獲此殊榮,而這段時間超級電腦一直是美國與中國的天下。

「富岳」是由富士通與日本理化學研究所共同研發,運算能力是每秒41.5億億次浮點運算(0.415 exaFLOPs)。其運算核心處理器為日本自行研發,採用ARM 48核架構,以及台積電7奈米製程及CoWoS尖端封裝技術。整個系統共使用了超過15萬顆處理器,造價達到12億美元;此造價之昂貴實為空前,幾乎是美國在進行中的下一代超級電腦經費的2倍。

約略在十年前,台灣裔的日本國會議員蓮舫,曾對官員質詢此預算時發出了驚人之語,她說「為什麼要做世界第一?做第二不行嗎?」此話一出在日本社會激起很大的震撼,正反兩極的評價都有,但對於這二十年來積極培養諾貝爾獎得主卓然有成的日本學術界,尤其視為大不敬。不過日本在歷經了十年的努力,終讓超級電腦重拾世界第一的桂冠。

第二及第三則報導都跟商業行為有關,分別是惠普(HP)購併了Cray電腦公司,以及NVIDIA購併了Mellonax,價格分別是14億以及69億美元。

Cray在80年代就已嶄露頭角,執世界超級電腦的牛耳,其獨特的環形結構Cray-2是為了提升運算效率而設計的。在那個年代,一個國家的國力是以擁有多少部超級電腦而定。台灣的第一部超級電腦是由中央氣象局所採購,用於天氣預測之用,但是它的運算能力大概都不及我們現在口袋中的智慧型手機。說到Cray就不得不提一下其首席設計師陳世卿博士,陳博士曾因在超級電腦的重大貢獻,成為時代雜誌1988年3月的封面人物。陳博士出生於福建,在台灣完成大學學業,現仍活耀於美國及中國的科技界。

Mellonax是家以色列的公司,主要產品為提供電腦與電腦間資料的互聯技術,現已廣泛地使用在超級電腦的系統上。

九十年代開始,由於個人電腦的興起以及網路互聯的發達,使得超級電腦的重要性已不若往昔。然而舉凡在氣象預測、人口普查、新材料研究、運算科學、新藥開發乃至於尖端武器系統,都需要仰賴超級電腦集中式的大量運算。因此現今的超級電腦主要用戶集中於國家級的研究機構以及具規模的公司。當然某種程度仍是國家科技實力的展現,因此先進國家仍不時有相關計畫在進行中。

中國發展超級電腦始於80年代,然而真正躍身國際舞台卻是這十年的事,目前該國共有七個超級計算機中心。2010年中國自主研發的「天河一號」首度登上超級電腦的寶座,之後掄魁的是2014年「天河二號」以及2016年「太湖之光」。「太湖之光」目前仍是世界排名第四的超級電腦,而中國大陸正在研發下一代的超級電腦「天河三號」。

除了「天河二號」使用英特爾Xeon處理器外,其他的超級電腦所用的處理器均是中國所自主研發而成,分別是「天河一號」的龍芯,「太湖之光」的申威,以及「天河三號」的飛騰。飛騰處理器是使用ARM核心以及台積電16奈米製程,而這些處理器都是中國中科院及國防單位所研發的成果。

中國自製的處理器跟IBM、英特爾、超微(AMD)效能上仍有一段距離,以「太湖之光」為例,它與排名第三的Sierra在運算的效能上沒有太大的差異,但所使用的功耗卻是後者的2倍;Sierra所使用的是IBM Power處理器。2019年美國川普政府除了將華為列為黑名單外,同時也把中國的江南計算所、中科曙光、天津海光列為實體清單,禁止美國產品的輸出,而這些單位都是中國政府發展超級電腦的重要機構。

美國目前有3個超級電腦的計劃在進行,分別是位於國家橡樹嶺實驗室的Frontier,勞倫茲實驗室的El Captain,以及阿岡實驗室的Aurora。其中前2部是由超微及Cray所共同研發製造,造價都在6億美元之譜;而第三部則是英特爾與Cray的合作。

Frontier將使用超微7奈米EPYC處理器及GPU,其運算速度將達到1.5 exaFLOPs,相當於「富岳」的3倍之多;El Captian更是使用了台積電5奈米的技術,而運算速度將達2.0 exaFLOPs。這2部超級電腦將於明年後陸續運轉,屆時美國將重拾世界第一的寶座。然而由英特爾主導的Aurora,原預定使用7奈米製程於2018年上市,卻因為英特爾的先進製程開發不順,將延到2022年後才有可能問世。

談完了先進國家的超級電腦計畫,回過頭來看看超級電腦在台灣的發展。2年前在科技部國網中心的主導下,與國內民間業者共同研發了「台灣杉二號」超級電腦以支援學術界所使用。該超級電腦使用了英特爾的Xeon處理器以及NVIDIA的GPU,目前是世界排名第21,也算佔有一席之地。

IBM及英特爾的處理器過去都是超級電腦的常勝軍,然而受制於自身先進半導體製程技術的延宕,卻讓超微及NVIDIA兩家fabless於近期捷足先登。所以超級電腦的世紀之爭在未來的一段時間,應該是「得天下者,必使用台積電的先進製程」!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。