像房子一樣大的電腦，你見過嗎？

相信大家在日常生活中都或多或少聽說過“超級計(jì)算機(jī)”這個(gè)高端名詞，很多媒體也在持續(xù)追蹤和報(bào)道我國超級計(jì)算機(jī)的研究成果。我國在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域究竟有多厲害呢？

從2020-2022這三年公布的世界超級計(jì)算機(jī)TOP500榜單來看，日本“富岳（Fugaku）”超級計(jì)算機(jī)已實(shí)現(xiàn)三連冠，隨后的二、三名由美國超級計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)（Summit）和“山脊”（Sierra）”連續(xù)把持，我國“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)穩(wěn)居第四，我國另外一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”則排名第七。而在2010年到2015年，我國的“天河一號(hào)”和“天河二號(hào)”曾實(shí)現(xiàn)世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單“六連冠”，“神威·太湖之光”則在2016年和2017年間登頂世界超級計(jì)算機(jī)排行榜。

來源｜現(xiàn)代快報(bào)

那么，什么是超級計(jì)算機(jī)？超級計(jì)算機(jī)可以被運(yùn)用到哪些領(lǐng)域？我國在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域又存在哪些瓶頸和挑戰(zhàn)呢？

1. 什么是超級計(jì)算機(jī)

超級計(jì)算機(jī)（Super computer）是一種超大型電子計(jì)算機(jī)。從功能上來看，它和普通計(jì)算機(jī)沒有什么區(qū)別，都是輸入數(shù)據(jù)，然后給出計(jì)算結(jié)果。兩者的構(gòu)成組件也基本相同。

但是從效率和規(guī)模上來看，超級計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)超普通計(jì)算機(jī)，具有超快的數(shù)據(jù)處理速度和超大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間。

以我國首次用國產(chǎn)芯片制造的“神威·太湖之光”為例，它總共有40960塊申威26010眾核處理器。雖然單個(gè)處理器只有一個(gè)相機(jī)SD儲(chǔ)存卡的大小，但卻蘊(yùn)含著巨大的計(jì)算能力，該處理器峰值性能為12.54京次/秒，持續(xù)性能為9.3京次/秒（1京為1億億）。

也正是因?yàn)闃?gòu)成組件數(shù)量如此之多，超級計(jì)算機(jī)占地面積十分大。如“神威·太湖之光”占地面積近千平方米，由40個(gè)運(yùn)算機(jī)柜和8個(gè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成，一臺(tái)機(jī)柜則包含1024塊處理器。從外面看上去，一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)占據(jù)的空間跟一間房子甚至一幢樓差不多。超級計(jì)算機(jī)的功耗也是千千瓦級別的。而常見的個(gè)人計(jì)算機(jī)只有幾百瓦的功耗。超級計(jì)算機(jī)的能耗相當(dāng)于十萬臺(tái)個(gè)人電腦的能耗，舉一個(gè)更加直觀的例子，一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)的能耗相當(dāng)于一列以350公里時(shí)速行進(jìn)的高鐵。

來源｜unsplash

超級計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間也十分巨大。如由170個(gè)機(jī)柜組成的我國超級計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”，就包含有24個(gè)存儲(chǔ)機(jī)柜，內(nèi)存總?cè)萘窟_(dá)1200T，存儲(chǔ)總?cè)萘縿t高達(dá)11PB（1PB的容量約為104萬GB）。

來源｜南方網(wǎng)

2. 超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

超級計(jì)算機(jī)被運(yùn)用在軍用和民用領(lǐng)域的諸多方面。凡是需要大規(guī)模數(shù)值模擬計(jì)算和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的情形都可以利用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行加速。超級計(jì)算機(jī)可以解決許多挑戰(zhàn)性問題，比如核試驗(yàn)?zāi)M、石油勘探、氣象預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)育種、醫(yī)療服務(wù)、新藥研制、動(dòng)漫渲染、材料設(shè)計(jì)、金融計(jì)算等。

來源｜央視網(wǎng)

由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的宇宙中微子數(shù)值模擬國際團(tuán)隊(duì)，曾在“天河二號(hào)”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上成功完成了30萬億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今137億年的漫長演化過程。

超級計(jì)算機(jī)為許多研究領(lǐng)域帶來了全新的研究手段。在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，甚至虛擬現(xiàn)實(shí)，可以用來輔助或者代替現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)。

在軍工領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)模擬的核爆炸完全代替了核實(shí)驗(yàn)。在研制飛機(jī)的時(shí)候，利用超級計(jì)算機(jī)來完成氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。超級計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算量使得虛擬實(shí)驗(yàn)突破了理論和實(shí)驗(yàn)研究的極限，加快研究進(jìn)程的同時(shí)還顯著降低了費(fèi)用。超級計(jì)算機(jī)在國防和科技方面都是一個(gè)重要支點(diǎn)，因此，稱其為“國之重器”也不為過。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，演進(jìn)成為緊湊信息處理設(shè)備的超級計(jì)算機(jī)已融入了生產(chǎn)生活的方方面面，構(gòu)建了由云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備相互締結(jié)的網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)挖掘可以分析人們的消費(fèi)習(xí)慣，由此得到的研究成果可以提高運(yùn)行效率。

廣泛存在的超級計(jì)算和與它緊密聯(lián)系的智能制造、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)將給人們提供一個(gè)“虛實(shí)難辨”的視角，為未來帶來更多的創(chuàng)造可能。

3. 超級計(jì)算機(jī)面對的挑戰(zhàn)

20世紀(jì)90年代開始，超級計(jì)算機(jī)隨著商品化通用處理器的快速發(fā)展而不斷升級。2000年以來，采用商品化通用硬件構(gòu)建超級計(jì)算機(jī)的數(shù)量最高時(shí)達(dá)到超級計(jì)算機(jī)總量的90%以上。但是，這些按照“商品化硬件-軟件-應(yīng)用”流程而研制的機(jī)器也遇到了新的挑戰(zhàn)。

首先，商品化通用軟硬件并不能十分有針對性地處理專業(yè)領(lǐng)域中計(jì)算難度比較大的問題，導(dǎo)致超級計(jì)算機(jī)在處理這些問題的時(shí)候沒有辦法發(fā)揮出全部的計(jì)算能力。同時(shí)，超級計(jì)算機(jī)的能量消耗不斷提升，但性能與能耗之比（能耗比）卻沒有較大的提升。此外，超級計(jì)算機(jī)運(yùn)營成本居高不下，也是阻礙其得到更廣泛應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。

來源｜unsplash

可以預(yù)見的是，世界超級計(jì)算機(jī)技術(shù)扔處于革新風(fēng)暴之中，隨著我國科學(xué)家們不斷加大硬、軟件的研發(fā)，我國的超級計(jì)算機(jī)技術(shù)將持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，創(chuàng)造新的成果。