創建台灣新護國神山產業 成大團隊研發新一代網路拓樸 超越美中日之超級電腦的技術-國立成功大學永續發展SDGs

創建台灣新護國神山產業 成大團隊研發新一代網路拓樸 超越美中日之超級電腦的技術

SDG9

創建台灣新護國神山產業 成大團隊研發新一代網路拓樸 超越美中日之超級電腦的技術

Synergy Correlation

文、圖/成大新聞中心
國立成功大學工程科學系講座教授黃吉川帶領團隊歷經 10 年的努力,研發出名為「平等拓樸 (Equality topology)」的高效率網路拓樸架構,不僅成功取得歐盟、美國、日本、中國、韓國以及中華民國等國專利,去年 12 月底也發表在國際期刊《The Journal of Supercomputing》,篇名為 ”Performance evaluation of muti-exaflops machines using Equality network topology”。此網路拓樸可設計出超越 10E 等級以上的高效率超級電腦,針對目前美國、中國、歐盟及日本在競爭建置 1E(約 1000 萬台桌機的計算力)等級的超級電腦,是一突破性的關鍵核心技術。
 
在設計與建置超級電腦中,網路拓樸架構是極其重要的一環,攸關整體架構的計算效能。成大工科系講座教授黃吉川指出,超級電腦中的伺服器就像是生產商,而交換器¬像是通路商,若通路商的交通運輸狀況不佳,則縱使產品生產再多,也無法順暢銷售賺取利潤。因此交換器的串接效率,將決定整座超級電腦的總計算力是否能順利提升。
 
「網路拓樸如同整過國家道路系統規劃,而我們的網路拓樸就是在交通規則上,比別的拓樸方便且更有流通效率。」黃教授表示,成大團隊研發的「平等拓樸」概念就是在一個圓圈中進行佈點,每個點就是一台交換器,平等拓樸的特色是每個節點對外所看到的世界都是一模一樣,大家都是「平等」出發,即其具有高度的對稱性,方便交通路由表的建置與讀取。
 
對比目前市佔率達 5 成以上的胖樹(Fat-tree)拓樸,交換器需要上下層層尋找兩台伺服器間的串接線路才能進行溝通。平等拓樸從小系统到幾 10E 等級之超級電腦或雲端中心的建置驗證中,其模擬效率均勝過其他網路拓樸,即贏過市面普遍使用的胖樹拓樸以及 3D、5D 環(Torus)的網路拓樸。平等拓樸還具有高度的擴展性,能夠串接百萬個計算節點以上,此技術可建置出 Zetta (1000E)等級的超級電腦,這是未來全球在競爭高科技研發設計產業中最重要的核心利器。

談起當初踏入超級電腦領域,黃吉川教授說:「應該算是從一個失敗的教訓中找到突破點。」2002 年,時任成大教務長的黃吉川教授經手國科會補助的跨國頂尖計畫,要和美國 IBM 華生研究中心合作建置第三代藍色基因超級電腦。雖然該計畫最後被迫終止,沒能順利買進超級電腦,但黃吉川教授也因為該計畫認識在紐約州立大學石溪分校任教的鄧越凡教授,當時鄧教授在交換器串接上遇到了瓶頸,最後是成大團隊想出解決方案,也成為了他們開創超級電腦事業的契機。
 
然而,進入超級電腦領域的門檻很高,想闖出一番局面並不是一件簡單的事。黃吉川教授指出,即使放眼到美國、中國及日本,加起來應該也不超過千人能理解這些網路拓樸的核心技術,因此當初論文在送審時,著實花了黃吉川團隊相當大的力氣與時間。再者,超級電腦的設備動輒數千萬起跳,更遑論每年的專利維持費、論文發表費以及人力成本等,對學校團隊來說,都是很大的負擔。成大團隊花了 7、8 年的時間才產出這篇期刊論文,對於一切辛苦,黃吉川教授認為:「因為我知道這是很大的突破,此技術將有機會改變人類科技歷史,所以從不曾想過要放棄」。

漫漫研發路上,雖然走來波折不斷,但黃吉川教授也十分感念多年來各企業、單位的支持,讓這項研究得以開花結果。黃吉川教授首先要感謝當初國科會以及美國空軍科學研究辦公室(AOARD)的計畫補助,讓他有機會接觸超級電腦的核心技術,更感謝華碩(ASUS)曾提供 64 台伺服器,讓成大團隊得以熟悉網路串接的試驗。最重要的是感謝無極超電公司和達運光電,長期贊助支援產學合作案經費,讓人才得以持續留在成大完成此網路拓墣的研發成果。最後要感謝成大工科系研發基金會以及技嘉科技公司,長期支援成大團隊組隊參加高速運算暨人工智慧學生競賽,其成果年年獲獎,在亞太區共計得到 2 次冠軍 、3 次亞軍 、2 次季軍及 3 次優等獎,而最大的競爭對手是台灣的清華大學以及中國的清華大學。
 
超級電腦是國家科研的戰略產業,美國在 2016 年開始禁止超級電腦的相關產業輸入中國,而中國也跟著管制其超級電腦核心技術的外流,雙方都把超級電腦視為高科技的競爭事業。因為在國防科技、地質、氣象、石油勘探、汽車、航空、太空、化工、製藥及人工智慧等領域,均需要超級電腦來計算研發。黃吉川教授指出,目前全世界超級電腦一年市場規模約 200 億美金,而雲端中心則高達 2000 億美金左右。目前成大團隊已經和日本富士通公司簽約完成,預計今年 3 月將進行「氣象局的研究型系統」的實機測試,也陸續和其他公司洽談合作商機。黃吉川教授也認為,這項世界級的突破,無論是在市場商機還是國家科技戰略產業都有極大發展的機會,他最大的希望就是能將這項技術好好的根留台灣,進而建立一座新的護國神山產業。

成大工科系講座教授黃吉川帶領團隊研發出名為「平等拓樸 (Equality topology)」的高效率網路拓樸架構

平等拓樸可設計出超越 10E 等級以上的高效率超級電腦,是一突破性的關鍵核心技術

黃吉川教授(右2)與學生團隊

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