随着全球最快超级计算机TOP500排名即将发布，橡树岭国家实验室（ORNL）本周正式部署了Titan，一台20 petaflops的机器。Titan有望超越美国能源部设在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的另一台机器Sequoia，从而使美国自信地重回超级计算金字塔的顶端（Sequoia预计将位居第二），此前美国曾在中国和日本之后追赶了好几年。
但Titan的意义远不止这些虚名。它将毫无疑问地成为世界上最快的开放科学机器，为全国各地从事气候变化、天体物理学、材料科学、生物燃料、燃烧和核能系统这六大核心领域的工业、学术界和政府实验室的科学家提供计算时间，帮助他们理解复杂的数据集。至关重要的是，它在传统超级计算机中使用的中央处理器（CPU）核心之外，还集成了图形处理器（GPU）。CPU和GPU的成功结合，可能会对超级计算的未来产生深远影响，因为科学家们正努力开发下一代百亿亿次科学计算机器。
“我们在这个混合计算环境中孤注一掷，并且成功了。”负责供应Titan GPU的NVIDIA业务部门Tesla的首席技术官Steve Scott表示，“Titan将是当今最大、最快的开放科学计算机。它可能或可能不会超越Sequoia。拥有这些头衔固然很好，但不如在这台机器上进行的科学研究重要。”
对于参与Titan开发的合作团队来说，这台计算机是否比当前的冠军Lawrence Livermore更快，都是次要的。Sequoia是一款IBM BlueGene/Q系统，用于运行DOE的机密研究，因此很快就会退居幕后，回到普通研究人员难以获得的国家保密层级。而Titan的设计初衷就是开放研究。它已经准备好以研究科学界前所未见的计算水平进行计算。
Titan每秒能够进行20,000万亿次计算。为了让你对这种计算能力的飞跃有个概念，可以参考一下2009年ORNL也曾拥有世界上最快的超级计算机，名为Jaguar（Titan实际上是Jaguar的升级版，而非从零开始建造的系统，尽管Titan的架构截然不同）。Jaguar在登上世界最快计算机榜首时是一个2.3 petaflops的系统（“flops”代表每秒浮点运算次数，是衡量超级计算性能的单位）。短短三年内，Titan的性能就提升了Jaguar的十倍。
这一飞跃很大程度上得益于ORNL重新思考构建超级计算机的方式。通过建造一台大十倍、CPU多十倍的计算机，理论上可以将计算能力提升十倍，但这样做在很多方面都不切实际。除了如此大型机器固有的硬件挑战外，2.3 petaflops的Jaguar的能源需求相当于7,000户美国家庭的能源消耗。一台20 petaflops的Jaguar则需要约60兆瓦的电力，相当于60,000户家庭的能源需求才能运行。为了在不消耗巨大能源的情况下让Titan达到现在的水平，需要大量的合作、对新型硬件体系的日益依赖，以及相当大的魄力。
Jeffrey Nichols说：“2009年，我们在甚至还没有‘混合多核’这个词之前就发明了它。从那时起，我们做了一个为期三年的、极具回报的信念跳跃，实现了10倍的性能飞跃和5倍的效率提升。”
Nichols指的是将图形芯片（GPU）集成到传统的CPU架构中。GPU非常适合某些特定任务，尤其擅长每秒处理数十甚至数百次计算。CPU虽然不擅长此类计算，但仍然非常适合传统的计算任务，例如代码行的基本运行。为了建造Titan，ORNL联合了超级计算机制造商Cray和GPU制造商NVIDIA，创建了一个混合系统，包含18,688个AMD 16核CPU和18,688个NVIDIA Tesla GPU，它们协同工作，以更高的效率和速度完成任务。核心研究已经到位，但挑战在于将所有部件——总计40,000个——整合起来并使其正常工作。
Nichols解释说，Titan开发中的每个人都在一定程度上怀揣着信念，并且都面临着失败的可能性。Cray不得不采用一种全新的硬件和接口，能够实现CPU和GPU之间的通信，这是它以前从未做过的。NVIDIA一直声称其GPU拥有超越游戏主机或PC的重要能力，现在是时候证明这种混合计算真的可以在超级计算规模上实现。而ORNL可能处于最危险的境地，其在全球超级计算领域的领导地位岌岌可危。如果Titan未能按时（或根本）上线，那将是重大挫折，可能需要数年才能弥补，而这些年将很难在快速发展的超级计算领域追赶回来。Scott说：“对于一个有使命必须完成、不能容忍失败的组织来说，我们在这个混合计算环境中孤注一掷，并且成功了。”
这次冒险的回报丰厚。通过升级到16核CPU和性能加速GPU，Titan得以装在与Jaguar相同的200个服务器机柜中，而不是像Jaguar那样需要建造一个大十倍的计算机。虽然它比前代产品消耗的电力更多，但Titan仅需约9兆瓦的电力——如果是一台运行相同速度的全CPU架构，其能耗将是这个数字的零头。
这仍然是一笔每年1000万美元的能源账单，但与目前世界各地的机器以及我们必须跟上竞争（尤其是与太平洋对岸的某位竞争对手）的压力相比，Titan是美国超级计算的一大进步。DOE正试图建立百亿亿次计算能力（希望在2020年之前），而中国、日本、印度以及欧洲和世界各地的其他一些国家也正试图抢在美国前面（百亿亿次计算性能是下一个主要性能里程碑，相当于1000 petaflops）。与一些竞争对手不同，DOE试图在严格的财政预算和能源预算内实现这一目标。
Nichols说：“美国和世界其他地方之间的区别在于，我们试图在20兆瓦的电力范围内实现百亿亿次计算。”按当前价格计算，这大约是每年2000万美元的电力成本。中国目前没有这些财政或能源限制，这使得Titan在研发和国家安全方面取得的性能和效率飞跃尤为重要。尽管如此，要在上述预算内达到百亿亿次计算性能，还需要在相同的能源消耗下实现约50倍的性能提升。这无疑是艰巨的，但Nichols和他在ORNL、Cray、nVidia等地的同事们已经开始努力寻找解决方案。
Nichols说：“我们在2009年拥有了最大的机器，并且已经在考虑2012年的机器了。而且我们已经在考虑2016年的机器了。”
