中國超級計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

陳卓+王笑

在最新發(fā)布的超級計(jì)算機(jī)全球排行榜中，無錫國家超級計(jì)算中心的“神威太湖之光”排名世界第一，它的運(yùn)算能力達(dá)到每秒93.01千萬億次。這意味著，“神威太湖之光”運(yùn)算1小時(shí)，相當(dāng)于13億人同時(shí)用計(jì)算器計(jì)算近3000年。如此驚人的運(yùn)算速度，使超級計(jì)算機(jī)成為“計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰”。

超級計(jì)算機(jī)是一個(gè)國家的重要資源，對國家的安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義。他的應(yīng)用與國計(jì)民生密不可分，諸多重大國家工程都依賴于這種運(yùn)算能力超強(qiáng)的機(jī)器?？赡芎芏嗳擞X得超級計(jì)算機(jī)與我們沒有什么關(guān)系，但實(shí)際上并非如此，因?yàn)楦叨祟I(lǐng)域取得的進(jìn)展會(huì)直接影響中低端領(lǐng)域，進(jìn)而影響到我們的生活。

一、什么是超級計(jì)算機(jī)？超級計(jì)算機(jī)是能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦無法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦。其基本組成組件與個(gè)人電腦的概念無太大差異，但規(guī)格與性能則強(qiáng)大許多，是一種超大型電子計(jì)算機(jī)。超級計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的一類計(jì)算機(jī)，多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是一個(gè)國家科研實(shí)力的體現(xiàn)，是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。把普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比做成人的走路速度，那么超級計(jì)算機(jī)就達(dá)到了火箭的速度。這樣的運(yùn)算速度，人們可通過數(shù)值模擬來預(yù)測和解釋以前無法實(shí)驗(yàn)的自然現(xiàn)象。

二、我國超級計(jì)算機(jī)的起源與發(fā)展。我國的超級計(jì)算機(jī)研制起步于60年代，經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，自60年代末到70年代末，主要從事大型機(jī)的并行處理技術(shù)研究；第二階段，自70年代末至80年代末，主要從事向量機(jī)及并行處理系統(tǒng)的研制；第三階段，自80年代末至今，主要從事MPP系統(tǒng)及工作站集群系統(tǒng)的研制。

早在1958年，我國成功研制了首臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)——103機(jī)，開啟了我國在超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的探索之路。1983年，我國成功研制“銀河”系列超級計(jì)算機(jī)，至此，我國具備了進(jìn)行中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的能力。從1992年開始，我國超級計(jì)算機(jī)的研發(fā)速度明顯加快。經(jīng)過幾十年的不懈努力，我國的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制已取得了豐碩成果。2010年，我國研制的“天河一號(hào)”成為世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)。此后，“天河二號(hào)”“神威太湖之光”穩(wěn)居榜首。隨著一批國產(chǎn)高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，我國成為繼美國、日本之后，第三個(gè)具備研制高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的國家。

三、超級計(jì)算機(jī)給人們生活帶來的改變。超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到的氣象、醫(yī)藥、交通、城市防震減災(zāi)等領(lǐng)域。工業(yè)工程上的應(yīng)用，如地質(zhì)勘測、航空航天、飛機(jī)船舶的設(shè)計(jì)等，都離不開超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和檢測。

1.氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域。氣象預(yù)報(bào)是超級計(jì)算機(jī)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。我們每天收聽、收看的氣象預(yù)報(bào)就是由超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算和檢測大量數(shù)據(jù)得來的。在大型網(wǎng)絡(luò)中，巨量數(shù)據(jù)的管理和大量信息的計(jì)算，用普通電腦是不能完成的，所以，這些大型數(shù)學(xué)問題的解決只有依靠超級計(jì)算機(jī)。超級計(jì)算機(jī)通過對氣象衛(wèi)星偵察的信息進(jìn)行集中化數(shù)據(jù)處理、量化分析和建模分析后，得出更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而快速預(yù)測氣候變化，以減輕氣候變化給人類帶來的種種破壞。

2.醫(yī)藥領(lǐng)域。在醫(yī)藥領(lǐng)域中，超級計(jì)算機(jī)也顯示出了巨大的“威力”。利用超級計(jì)算機(jī)在制藥過程中進(jìn)行分子級別的量化配方分析，使制藥成分更科學(xué)、更合理，并且做到劑量成分適中，為人類制藥帶來了更加便捷的條件。

3.交通領(lǐng)域。在交通領(lǐng)域中，超級計(jì)算機(jī)可以用來認(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，并幫助減少噪音等，大大提高了乘坐者的安全性和舒適度。

4.防震減災(zāi)領(lǐng)域。在防震減災(zāi)領(lǐng)域中，超級計(jì)算機(jī)通過對地震的模擬，能幫助人類探索地震預(yù)測方法，從而減輕與地震相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，給人類生活安全提供了更加可靠的保障。

綜上可以看出，超級計(jì)算機(jī)不僅可以幫助科學(xué)家解決大科學(xué)、大工程、大數(shù)據(jù)等前沿問題，也承擔(dān)著對日常信息的需求、提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力。此外，超級計(jì)算機(jī)還有一些與我們的生活息息相關(guān)的用途，豐富和改變著我們的生活。以“天河二號(hào)”為例，讓我們深入地了解超級計(jì)算機(jī)，揭開超級計(jì)算機(jī)的神秘面紗?！疤旌佣?hào)”是由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒54.9千萬次、持續(xù)計(jì)算速度每秒33.9千萬次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能，連續(xù)六次穩(wěn)居全球超級計(jì)算機(jī)五百強(qiáng)的榜首，成為全球最快超級計(jì)算機(jī)?！疤旌佣?hào)”超級計(jì)算機(jī)在我們生活中的用途無處不在。在衣食住行方面，到處都有“天河二號(hào)”的影子?！疤旌佣?hào)”能夠協(xié)助進(jìn)行新材料的研發(fā)，使我們的衣服更加舒適、更加美觀?！疤旌佣?hào)”能夠幫助進(jìn)行水稻、玉米、生豬等動(dòng)植物的基因分析研究，改良它們的品種，使我們吃得更加健康、更加安全?！疤旌佣?hào)”可以調(diào)整建筑物的抗震防風(fēng)設(shè)計(jì)，使我們住得更加穩(wěn)當(dāng)?！疤旌佣?hào)”可以輔助新型汽車、飛機(jī)和高鐵的設(shè)計(jì)制造，甚至是指導(dǎo)我們的出行線路，改善我們的交通條件。更出乎意料的是，“天河二號(hào)”在電影娛樂方面也能大顯身手。當(dāng)年紅極一時(shí)的電影《阿凡達(dá)》的動(dòng)漫渲染制作整整耗時(shí)一年多才完成，如果當(dāng)初能夠使用“天河二號(hào)”，僅僅一個(gè)月的時(shí)間就可以渲染完成。此外，《熊出沒之雪嶺熊風(fēng)》這部3D電影，技術(shù)含量在業(yè)界堪稱頂級，廣受好評。據(jù)了解，這部影片也是動(dòng)用了全世界運(yùn)算速度最快的超級計(jì)算機(jī)——“天河二號(hào)”計(jì)算機(jī)，為影片進(jìn)行特效渲染。

四、超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向。當(dāng)前，我國的超級計(jì)算機(jī)盡管擁有了世界一流的運(yùn)算能力，但在超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域還未能充分發(fā)揮其功能和作用。一方面，這與我國科研開發(fā)模式有關(guān)，在獲得財(cái)政支持后，科研團(tuán)隊(duì)往往只負(fù)責(zé)完成科研項(xiàng)目，不會(huì)為商業(yè)化提供可行性方案。超級計(jì)算機(jī)未能充分投入商用，將造成巨大的資源浪費(fèi)。另一方面，與部分企業(yè)對超級計(jì)算機(jī)“貌似熟悉，實(shí)則不甚了然”的情況有關(guān)。

2014年4月，“天河二號(hào)”試運(yùn)行對外開放，但只有120家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)選擇試用，許多商用飛機(jī)公司寧可使用陳舊過時(shí)的計(jì)算平臺(tái)也不愿意采納新技術(shù)。要充分應(yīng)用超級計(jì)算機(jī)，既需要相關(guān)部門和科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行富有針對性地推廣、宣傳，更需要鼓勵(lì)企業(yè)積極接觸、嘗試新技術(shù)，發(fā)揮前沿科技的潛能，讓超級計(jì)算機(jī)真正的造福社會(huì)、惠及百姓。

（作者單位：遼寧科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所）