3天后，降雨云層將移動到哪里？海嘯預(yù)警能否第一時間發(fā)送出去？如何建設(shè)風(fēng)道以便污染物擴(kuò)散？借助超級計算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算和模型處理能力，這些問題都有望得到解決。

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(jī)500強(qiáng)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(jī)，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(jī)身安放在一間約1000平方米的房間內(nèi)。它由40個運(yùn)算機(jī)柜和8個網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜組成，里面放有40960塊高性能處理器；其峰值運(yùn)算速度為12.5億億次/秒，持續(xù)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(tǒng)1分鐘的計算能力，相當(dāng)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(chǎn)的主流筆記本電腦或個人臺式機(jī)作參照，它相當(dāng)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(xué)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(guān)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(yùn)算速度是此前的世界冠軍“天河二號”的3倍。在超級計算機(jī)基準(zhǔn)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(yùn)算任務(wù)。

第二招——最強(qiáng)大腦，中國芯。超級計算機(jī)主要依靠提高并行度和設(shè)備規(guī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)大的超級計算機(jī)。“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(yùn)算核心、數(shù)十億晶體管，其單芯片計算能力相當(dāng)于3臺2000年全球排名第一的超級計算機(jī)。

第三招——綠色節(jié)能，又快又省。“神威·太湖之光”的功耗比達(dá)到每瓦60.51億次，在運(yùn)行速度和持續(xù)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(jī)應(yīng)用大致可分為幾類：一類是與國家安全密切相關(guān)的使命性應(yīng)用，如美國能源部各國家實(shí)驗(yàn)室從事的核武器設(shè)計、試驗(yàn)、改進(jìn)和安全儲存的研究，需要超級計算機(jī)進(jìn)行全物理、全系統(tǒng)、真三維的數(shù)值模擬；一類是應(yīng)對環(huán)境、健康等重大挑戰(zhàn)，如聚變能源、全球氣候變化、新材料設(shè)計、新藥創(chuàng)制等；還有一類是以計算促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)研究和重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如在宇宙起源、腦功能、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)等方面的應(yīng)用。

“超級計算機(jī)應(yīng)用可以簡單概括為三個詞：算天、算地、算人。”中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)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(chuàng)新、材料化工，還是環(huán)境科學(xué)、船舶工程、航空航天設(shè)計、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等方面，超級計算機(jī)都可以發(fā)揮作用。同時，基于人工智能技術(shù)發(fā)展，大數(shù)據(jù)、金融計算等將成為超級計算機(jī)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

目前，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正在國家超級計算無錫中心進(jìn)行一項(xiàng)課題——深圳市污染物擴(kuò)散模擬。通過超算模擬，可以根據(jù)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(zhǔn)進(jìn)行區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報。

“現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)倒推排查究竟是哪個排放點(diǎn)導(dǎo)致了某次大氣污染，未來將能夠?qū)崿F(xiàn)每個小區(qū)、每個居民點(diǎn)空氣質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)報。”陳榮亮說。

而在醫(yī)療領(lǐng)域，超級計算機(jī)能夠通過掃描真人的血管系統(tǒng)，運(yùn)用3D建模技術(shù)建立動脈系統(tǒng)模型，成功地再現(xiàn)人體動脈系統(tǒng)。陳榮亮日前使用“神威·太湖之光”對人體血流進(jìn)行了模擬與分析。

“過去，對一個可能發(fā)生腦梗塞的病人，醫(yī)院難以判斷是否要進(jìn)行支架手術(shù)，一般都會通過從大腿動脈處放進(jìn)測壓導(dǎo)絲進(jìn)行測量。這種方式既危險又痛苦。如今，經(jīng)過模擬計算，只要血流儲備分?jǐn)?shù)小于0.8，就可以做手術(shù)。”陳榮亮說。

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

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

 

目的是造福人類

 

在全球超級計算機(jī)500強(qiáng)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(yùn)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(jī)運(yùn)算速度總和。

但要真正從“超算大國”發(fā)展為“超算強(qiáng)國”，我們還面臨核心技術(shù)、軟件配套及應(yīng)用前景拓展等多方面的障礙。

核心技術(shù)上，雖然我國的超級計算機(jī)發(fā)展取得了很大成果，但其中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)還比較多。以能耗為例，“神威·太湖之光”一年的用電量達(dá)到15兆瓦時，相當(dāng)于3個清華大學(xué)的用電量。倘若要進(jìn)一步使運(yùn)行速度提升至百億億次，相關(guān)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(dǎo)致目前相關(guān)商業(yè)應(yīng)用軟件主要為國外所壟斷。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)超級計算機(jī)研發(fā)經(jīng)費(fèi)中用于開發(fā)應(yīng)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(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用比計算機(jī)本身更重要。因?yàn)闆]有軟件，計算機(jī)就是個空殼。”陳榮亮透露，我們正在逐步加大軟件的研發(fā)，但相關(guān)人才還比較匱乏。

應(yīng)用前景拓展上，超級計算機(jī)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(yùn)行對外開放期間，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)公司寧可使用過時的計算平臺也不愿意采納這一新系統(tǒng)。

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

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

未來，我國超級計算機(jī)應(yīng)在四個方向發(fā)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(chǔ)；其次是先進(jìn)制造，強(qiáng)大的計算機(jī)將助力“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國創(chuàng)造”；第三個方向是生命科學(xué)，為研發(fā)新藥和探索生命奧秘提供支撐；第四個方向是大數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用需求和算法的發(fā)展，將不斷推動超級計算機(jī)跑得更快、更強(qiáng)。

記者　夏斌

（部分資料引自《人民日報》海外版、《科普中國》）

 

 

超級計算機(jī)有何過人之處

圖文簡介

3天后，降雨云層將移動到哪里？海嘯預(yù)警能否第一時間發(fā)送出去？如何建設(shè)風(fēng)道以便污染物擴(kuò)散？借助超級計算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算和模型處理能力，這些問題都有望得到解決。