最強(qiáng)“大腦”：超算

“引航者”“神算子”“高科技助推器”等是人們對(duì)超算的贊譽(yù)和評(píng)價(jià)。由此可見，超算在當(dāng)今這個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為特征的高速發(fā)展的時(shí)代起著關(guān)鍵作用。

超算的來(lái)龍去脈

超算是超級(jí)計(jì)算機(jī)及有效應(yīng)用的總稱，最初是為了解決工業(yè)界對(duì)大規(guī)模計(jì)算能力的需求而誕生的技術(shù)。

現(xiàn)代超算本質(zhì)上是將大量配置接近普通家用電腦/商用工作站的主機(jī)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的主機(jī)集群。它運(yùn)行的是專用操作系統(tǒng)，每臺(tái)主機(jī)是一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)；大量節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力疊加起來(lái)，就獲得了遠(yuǎn)超單臺(tái)或幾臺(tái)普通PC的計(jì)算能力。

以我國(guó)的超算“神威·太湖之光”為例，它1分鐘的計(jì)算能力相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算32年。以最強(qiáng)“大腦”來(lái)形容具有如此強(qiáng)大計(jì)算能力的超算應(yīng)不為過(guò)。

“神威·太湖之光”首次亮相是在2018北京科技周。在科技周上展示的只是一臺(tái)樣機(jī)，而在國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心“神威·太湖之光”的機(jī)房?jī)?nèi)，擺放有這樣的運(yùn)算機(jī)柜40個(gè)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜8個(gè)。每個(gè)運(yùn)算機(jī)柜就像家中的雙門冰箱一樣，打開柜門，里面是兩排整齊的運(yùn)算插件板。

一個(gè)機(jī)柜集成了128個(gè)運(yùn)算插件板，每個(gè)插件由4個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)板組成，上面有四個(gè)神威芯片。插件板的背面也是一樣的結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)一個(gè)插件板上有8個(gè)CPU，中間采用水冷技術(shù)進(jìn)行降溫。整個(gè)“神威·太湖之光”有5120個(gè)插件板，總共就有40960個(gè)CPU，所以整機(jī)是千萬(wàn)核的計(jì)算能力。

超算的技術(shù)特點(diǎn)

除了執(zhí)行運(yùn)算的CPU、GPU核心，超算的另外兩大關(guān)鍵技術(shù)是內(nèi)存和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。高性能計(jì)算任務(wù)通常需要大量的內(nèi)存，而且所需的空間隨計(jì)算核心數(shù)量的增多而增加。此外，這些內(nèi)存還要有很高的帶寬來(lái)迅速將數(shù)據(jù)傳遞給處理器核心。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則是將成千上萬(wàn)的主機(jī)搭建成超算系統(tǒng)的關(guān)鍵，主機(jī)數(shù)量越多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、延遲和穩(wěn)定性要求就越高。

超算的應(yīng)用，運(yùn)算速度很重要，操作系統(tǒng)和軟件也很重要，但最最重要的是建模，簡(jiǎn)單說(shuō)就是建立各種數(shù)學(xué)公式，這是運(yùn)算的基礎(chǔ)依據(jù)。比如一個(gè)物體在空氣中飛行，每平方厘米表面積，在不同的速度，不同的空氣密度下，承受的壓力是多大，這需要由實(shí)驗(yàn)獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后作為以后計(jì)算的依據(jù)。建模是一個(gè)龐大的，工作量很大、很繁瑣的工作，需要長(zhǎng)時(shí)間的積累。我國(guó)超算在最近幾年才井噴式發(fā)展，還沒有充分利用和發(fā)揮其威力，等到建模很完善的時(shí)候，將會(huì)得到實(shí)際科研成果的井噴。

超算的強(qiáng)大功能

對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其運(yùn)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。可以說(shuō)它上知天文，可夜觀天象，也可能解開宇宙奧秘等，下曉地理，什么都能計(jì)算。不只是這些，從大的社會(huì)風(fēng)向到小的個(gè)人人格特征定位也都在超算的運(yùn)算范圍當(dāng)中。

借助超算，還可以解決國(guó)防、交通工具制造、氣候氣象、生物信息、地震監(jiān)測(cè)、地球科學(xué)、天體物理、公共健康、材料科學(xué)、人類組織系統(tǒng)研究等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。下面就舉幾個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)明超算的強(qiáng)大作用。

超算是計(jì)算機(jī)信息化發(fā)展的引領(lǐng)者，很多處理器技術(shù)、虛擬化技術(shù)、量子計(jì)算等，都是最早為超算服務(wù)，之后才普及民用。目前的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)，其計(jì)算能力也需要超算技術(shù)的支持。

天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的提升，背后離不開超算的功勞。下不下雨關(guān)鍵看云層運(yùn)動(dòng)，超算可以通過(guò)對(duì)云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確模擬和觀測(cè)，預(yù)測(cè)氣候變化，從而減輕氣候變化給人類帶來(lái)的破壞。

借助超算的強(qiáng)大、快速的運(yùn)算能力，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)施的亞臨界核試驗(yàn)，與真正核試爆的效果是相同的。通過(guò)超算建立核爆炸數(shù)學(xué)模型，深入了解核爆炸原理，研發(fā)新一代核武器。

在情報(bào)收集、解密等領(lǐng)域，超算作用凸顯。棱鏡計(jì)劃顯示，美國(guó)花巨資收集各國(guó)隱私，包括普通百姓的海量信息，這就需要利用超算及時(shí)處理海量信息，盡快篩選出有價(jià)值的情報(bào)。

超算既可以進(jìn)行基因測(cè)序，從根本上破解人類生命的“密碼”，從基因修補(bǔ)的角度來(lái)避免很多先天性疾病，也可以在幾百萬(wàn)的藥物成分中，選擇最合適的配比進(jìn)行新藥物的開發(fā)。

超算可用來(lái)認(rèn)識(shí)和改進(jìn)汽車、飛機(jī)或輪船等交通工具的空氣流體動(dòng)力學(xué)、燃料消耗、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防撞性，并幫助提高乘坐者舒適度、減少噪音等。

比如設(shè)計(jì)一款飛機(jī)，我們都知道做成流線型有利于減小飛行阻力，但是不能做成子彈那樣單一的流線型。飛機(jī)外形是由多個(gè)不同弧度的流線型組成的，每個(gè)部分的弧度都有幾百種可能，每種弧度在0倍～2.2倍音速（每0.01倍音速都要計(jì)算一次）的飛行速度下阻力是多大，飛機(jī)表面承受的壓力是多大，以確定不同部分蒙皮的厚度等。即使一架飛機(jī)的大致外形已經(jīng)確定，以上各種參數(shù)分別組合一遍，就有成千上萬(wàn)種可能，每種可能都要用超算演算一遍，以篩選出最優(yōu)參數(shù)組合，然后才能做一個(gè)模型做風(fēng)洞試驗(yàn)。否則要做成千上萬(wàn)個(gè)模型，做成千上萬(wàn)次風(fēng)洞試驗(yàn)，成本和時(shí)間是任何一個(gè)國(guó)家都承受不起的。實(shí)際的工作比這復(fù)雜很多倍，考慮的問(wèn)題和細(xì)節(jié)更多。如果沒有超算，我們只能設(shè)計(jì)出“粗略的，大概差不多”的方案，無(wú)法做出最優(yōu)設(shè)計(jì)，這樣飛機(jī)的性能就達(dá)不到很高。

殘酷而激烈的超算競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀

當(dāng)今，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的融合，超算起到關(guān)鍵作用，是解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題的重要手段。作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的“引航者”，超算早已成為“兵家必爭(zhēng)之器”，成為世界各國(guó)爭(zhēng)奪的一個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

近日，在德國(guó)法蘭克福召開的全球超算大會(huì)上，公布了最新的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單，其中來(lái)自美國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”排名第一，來(lái)自中國(guó)的超算“神威·太湖之光”位列第二，第三名則是來(lái)自美國(guó)的“Sierra”。在中國(guó)超算占據(jù)世界首位幾年之后，美國(guó)的超算技術(shù)已經(jīng)以迅雷不及掩耳的勢(shì)頭追趕上來(lái)。

除了中美之外，日本的超算水平也一直在全球市場(chǎng)的第一梯隊(duì)。有消息透露稱，日本已研發(fā)出了理論性能遠(yuǎn)超過(guò)太湖之光和美國(guó)的Summit的全新版本超級(jí)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，不過(guò)目前尚處于測(cè)試階段，還沒有進(jìn)行量產(chǎn)。

據(jù)業(yè)內(nèi)專家表示，目前各國(guó)超算還只停留在十億億次級(jí)別的爭(zhēng)奪階段，下一階段，即百億億次領(lǐng)域的爭(zhēng)奪戰(zhàn)才是重點(diǎn)。我國(guó)已經(jīng)在這一階段開始嶄露頭角，今年5月公布了百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河三號(hào)”的原型機(jī)。

盡早突破超算國(guó)產(chǎn)處理器技術(shù)難關(guān)和相關(guān)軟件的國(guó)產(chǎn)化率是我國(guó)超算領(lǐng)域急需解決且正在努力的方向。如果能夠?qū)崿F(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化，那么中國(guó)將在未來(lái)超算領(lǐng)域徹底“放飛自我”，實(shí)現(xiàn)與歐美日的強(qiáng)強(qiáng)對(duì)決!

超算作為衡量一個(gè)國(guó)家技術(shù)發(fā)展水平的重要參考指標(biāo)，在很大程度上代表了一個(gè)國(guó)家，一個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展實(shí)力。這么說(shuō)雖然有些狹義，但是計(jì)算性能的提升對(duì)于國(guó)家眾多領(lǐng)域和行業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展確實(shí)起著非同尋常的作用。從全局來(lái)看，超算水平的提升，對(duì)于推動(dòng)人類向前發(fā)展，起著非常重要的作用。