超級計算機有何過人之處

日前，德國法蘭克福國際超算大會公布新一期全球超級計算機500強榜單，來自中國的“神威·太湖之光”榮登榜首。這臺全球最快的計算機，到底有哪些過人之處？它可以在我們平時生活的哪些方面大顯身手？

三招“必殺技”

在國家超級計算無錫中心，“神威·太湖之光”的機身安放在一間約1000平方米的房間內。它由40個運算機柜和8個網絡機柜組成，里面放有40960塊高性能處理器；其峰值運算速度為12.5億億次/秒，持續性能為9.3億億次/秒，雙雙位列全球第一。

“簡單來說，這套系統1分鐘的計算能力，相當于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。如果用2016年生產的主流筆記本電腦或個人臺式機作參照，它相當于200多萬臺普通電腦。”國家超級計算無錫中心主任楊廣文作了一個形象的比較。

中國科學院計算所研究員張云泉介紹，“神威·太湖之光”之所以如此厲害，關鍵在于具備三招“必殺技能”：

第一招——速度較量，唯快不破。“神威·太湖之光”的運算速度是此前的世界冠軍“天河二號”的3倍。在超級計算機基準程序測試中，“神威·太湖之光”僅用4小時就完成了“天河二號”20多個小時才能完成的運算任務。

第二招——最強大腦，中國芯。超級計算機主要依靠提高并行度和設備規模來提升計算速度。“神威·太湖之光”擁有超過1000萬個處理器核，遠遠超過“天河二號”的300多萬個。更令人振奮的是，“神威·太湖之光”是完全采用中國芯——“申

威26010”制造出來的最強大的超級計算機。“申威26010”是一個只有5厘米見方的高性能處理器，卻集成了260個運算核心、數十億晶體管，其單芯片計算能力相當于3臺2000年全球排名第一的超級計算機。

第三招——綠色節能，又快又省。“神威·太湖之光”的功耗比達到每瓦60.51億次，在運行速度和持續計算能力大幅提升的同時，功耗不升反降。

“算天算地算人”

以美國為例，超級計算機應用大致可分為幾類：一類是與國家安全密切相關的使命性應用，如美國能源部各國家實驗室從事的核武器設計、試驗、改進和安全儲存的研究，需要超級計算機進行全物理、全系統、真三維的數值模擬；一類是應對環境、健康等重大挑戰，如聚變能源、全球氣候變化、新材料設計、新藥創制等；還有一類是以計算促進基礎科學研究和重大科學發現，如在宇宙起源、腦功能、基因和蛋白質組學等方面的應用。

“超級計算機應用可以簡單概括為三個詞：算天、算地、算人。”中國科學院深圳先進技術研究院副研究員陳榮亮表示。不論是在石油勘探、生物信息、新藥創新、材料化工，還是環境科學、船舶工程、航空航天設計、傳統制造業改造等方面，超級計算機都可以發揮作用。同時，基于人工智能技術發展，大數據、金融計算等將成為超級計算機應用的新領域。

目前，中科院深圳先進技術研究院正在國家超級計算無錫中心進行一項課題——深圳市污染物擴散模擬。通過超算模擬，可以根據目前污染物的情況，計算出未來一段時間的大氣污染物濃度和分布，從而精準進行區域空氣質量預報。“現在已經可以實現倒推排查究竟是哪個排放點導致了某次大氣污染，未來將能夠實現每個小區、每個居民點空氣質量的準確預報。”陳榮亮說。

而在醫療領域，超級計算機能夠通過掃描真人的血管系統，運用3D建模技術建立動脈系統模型，成功地再現人體動脈系統。陳榮亮日前使用“神威·太湖之光”對人體血流進行了模擬與分析。“過去，對一個可能發生腦梗塞的病人，醫院難以判斷是否要進行支架手術，一般都會通過從大腿動脈處放進測壓導絲進行測量。這種方式既危險又痛苦。如今，經過模擬計算，只要血流儲備分數小于0.8，就可以做手術。”陳榮亮說。

英國《柳葉刀》雜志還進一步推測，通過超級計算機的大量運算，可以有效模擬人體器官對各類藥物的反應。這樣做能夠大大縮短新藥物的研發時間，讓各類新藥物盡快為患者服務。

此外，法國石油巨頭道達爾早在2013年，就啟用超級計算機進行石油資源勘探。借助其強大的運算能力，道達爾可以更加精確地判斷石油蘊藏的規模及開采幾率。美國波音等航空制造企業，也開始大量使用超級計算機進行包括發動機、飛機等的輔助設計。而在好萊塢，眾多電影制作公司也嘗試使用超級計算機進行電影后期特效處理，《阿凡達》《2012》等影片的強大特效就利用到了各種類型的超級計算機。

目的是造福人類

在全球超級計算機500強榜單上，名列前十的除了“神威·太湖之光”，還有中國的“天河二號”、美國的“泰坦”與“紅杉”、日本的“京”、瑞士的

“代恩特峰”、德國的“花尾榛雞”等。在運算速度上，“神威·太湖之光”接近“泰坦”的5倍，超過排名第二到第五的超級計算機運算速度總和。

但要真正從“超算大國”發展為“超算強國”，我們還面臨核心技術、軟件配套及應用前景拓展等多方面的障礙。

核心技術上，雖然我國的超級計算機發展取得了很大成果，但其中需要解決的關鍵技術環節還比較多。以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達到15兆瓦時，相當于3個清華大學的用電量。倘若要進一步使運行速度提升至百億億次，相關能源消耗恐怕非常驚人。

軟件配套上，存在“重硬件、輕軟件”的傾向，導致目前相關商業應用軟件主要為國外所壟斷。據統計，國內超級計算機研發經費中用于開發應用軟件的不足10%，而在美國這一比例為30%以上。“某種程度上說，超級計算機系統的應用比計算機本身更重要。因為沒有軟件，計算機就是個空殼。”陳榮亮透露，我們正在逐步加大軟件的研發，但相關人才還比較匱乏。

應用前景拓展上，超級計算機投入商用還面臨一個市場信任的問題。2014年4月“天河二號”試運行對外開放期間，只有120家企業和研究機構選擇試用，許多商用飛機公司寧可使用過時的計算平臺也不愿意采納這一新系統。

另外，如何打造便攜式超級計算機，并推進與人工智能技術融合，是超級計算機商用化、終端化不可回避的問題。

“超級計算機的發展根本動力來自于需求，超級計算機的最終目的應該是造福人類。在這一基本認知下，中國發展超算應該從需求出發，解決最迫切的應用問題。”863重點專項專家組組長錢德沛強調，我們要有爭第一的意識，但不要太在意，還是要從應用出發。

未來，我國超級計算機應在四個方向發揮作用：首先是全球高分辨率模擬，為氣候變化研究提供量化研究的基礎；其次是先進制造，強大的計算機將助力

“中國制造”轉向“中國創造”；第三個方向是生命科學，為研發新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個方向是大數據分析。應用需求和算法的發展，將不斷推動超級計算機跑得更快、更強。