超級(jí)計(jì)算機(jī)硝煙再起

2011年11月14日，由確定超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的歐美專家組成的“國(guó)際T0P500組織”公布了最新排行榜，日本理化學(xué)研究所的超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”(神戶市)繼6月后再度位列首位。“京”由理研和富士通共同開(kāi)發(fā)。在最新的排行榜中，構(gòu)成“京”的864臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度達(dá)到每秒10510萬(wàn)億次。6月時(shí)該計(jì)算機(jī)還在設(shè)置階段，速度即達(dá)到每秒8162萬(wàn)億次，榮登世界最強(qiáng)大計(jì)算機(jī)的寶座(“國(guó)際T0P500組織”每半年更新一次排行榜)。當(dāng)時(shí)比位列第二的中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)高出3倍以上。在廝殺激烈的超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里又點(diǎn)了一把火。

2010年秋，中國(guó)的“天河一號(hào)”在位于天津的國(guó)防科技大學(xué)投入使用，它可以在一秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)2570萬(wàn)億次運(yùn)算，而普通的商用計(jì)算機(jī)峰值為每秒10億次運(yùn)算。相比之下，美國(guó)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)“美洲虎”只能以每秒1760萬(wàn)億次運(yùn)算的速度屈居其次。不過(guò)美國(guó)人聊可自慰的是“天河一號(hào)”使用的仍然是美國(guó)制造的微處理器。無(wú)疑，在中國(guó)、日本、歐洲、美國(guó)之間展開(kāi)的這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必然還會(huì)持續(xù)下去。

“京”將在2012年6月完成整個(gè)系統(tǒng)的配置，并于2012年11月正式開(kāi)始運(yùn)用。除用于模擬演算地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)等地球科學(xué)及有關(guān)宇宙形成的研究外，“京”還將運(yùn)用于新材料、醫(yī)藥用品、汽車及飛機(jī)的研發(fā)等工作。對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的要求似乎永無(wú)止境，因?yàn)槿藗兛偸窍胍愿斓乃俣饶M復(fù)雜現(xiàn)象。

2012年IBM為德國(guó)巴伐利亞科學(xué)院建造的超級(jí)計(jì)算機(jī)將投入使用，其運(yùn)算速度可達(dá)到3000萬(wàn)億次。專家預(yù)測(cè)，10年后，計(jì)算機(jī)的速度將比現(xiàn)在快1000倍，速度單位將升級(jí)為“百億億次/秒”。不過(guò)為了加快運(yùn)算速度，就必須使用更多的處理器。超級(jí)計(jì)算機(jī)是個(gè)耗能大戶，每一臺(tái)的功率趕得上一個(gè)火車頭!若將運(yùn)算速度提高到“百億億次/秒”的級(jí)別，超級(jí)計(jì)算機(jī)功率就要提高1000倍，它們將不得不建在發(fā)電廠旁邊才能維持電力供給!因此，目前研究主要是減少處理器的電力消耗，如對(duì)處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化。另一個(gè)目標(biāo)則是開(kāi)發(fā)新的編程語(yǔ)言來(lái)“協(xié)調(diào)”數(shù)十萬(wàn)處理器之間的工作并預(yù)防故障的發(fā)生。

我國(guó)為何投身超級(jí)計(jì)算機(jī)?

因?yàn)槿绻鄙龠@一科學(xué)疆場(chǎng)上必不可少的“打擊力量”，就無(wú)法成為強(qiáng)國(guó)。中國(guó)在2010年超過(guò)了日本，成為僅次于美國(guó)的世界第二大經(jīng)濟(jì)體。這個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)以低成本加工業(yè)著稱的“世界工廠”，現(xiàn)在已進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。為了迎頭趕上，中國(guó)投入巨資，對(duì)工業(yè)體系進(jìn)行改造，一方面以滿足國(guó)民富裕后的消費(fèi)需求，另一方面旨在掌握戰(zhàn)略性裝備(如軍用飛機(jī)或衛(wèi)星)的建造技術(shù)。在這新一輪的創(chuàng)新大戰(zhàn)中，高性能的計(jì)算工具無(wú)疑是一件珍貴的武器。事實(shí)上，一個(gè)國(guó)家擁有的超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)量和性能如今甚至成為衡量其經(jīng)濟(jì)實(shí)力的一項(xiàng)指標(biāo)。各國(guó)研究機(jī)構(gòu)近十幾年所裝備的超級(jí)計(jì)算機(jī)，速度最快的可以在一天內(nèi)完成普通商用計(jì)算機(jī)需要300年才能完成的任務(wù)!

超級(jí)計(jì)算機(jī)什么樣?

一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)由安放在巨大空調(diào)機(jī)房中的數(shù)十個(gè)機(jī)柜組成。機(jī)柜里，數(shù)以百計(jì)的服務(wù)器和成千上萬(wàn)的芯片彼此相聯(lián)，終日轟鳴，需要多位技術(shù)人員維護(hù)其運(yùn)行。超級(jí)計(jì)算機(jī)所用的處理器和最快的個(gè)人電腦并無(wú)二致，但數(shù)量卻以千計(jì)，以并行運(yùn)算的方式分擔(dān)著計(jì)算任務(wù)。工程師們還對(duì)一般用于游戲機(jī)的圖像處理器加以利用，從而能夠以相對(duì)較低的能耗大大加快運(yùn)算速度。中國(guó)“天河一號(hào)”裝有7000塊圖形處理芯片和1.4萬(wàn)個(gè)英特爾處理器。

我們?yōu)槭裁葱枰咚龠\(yùn)算?

這一工具可對(duì)地震，飛機(jī)穿過(guò)氣流或藥物作用于細(xì)胞等各種現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)字化分析。當(dāng)情況過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)，電腦即可大顯身手。最早借助超級(jí)計(jì)算機(jī)的是氣象學(xué)家，他們得以進(jìn)行更為周密的運(yùn)算，并對(duì)氣候變化做出預(yù)測(cè)。這些功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)分析來(lái)自衛(wèi)星的信息，將它們與數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。鑒于現(xiàn)在氣候研究以全球?yàn)榭剂浚栽絹?lái)越需要先進(jìn)的運(yùn)算工具，來(lái)分析諸如風(fēng)和溫度的變化，地形、土壤濕度、洋流路線或大氣污染物排放等紛繁復(fù)雜的信息。當(dāng)然，超級(jí)計(jì)算機(jī)也被用于其他戰(zhàn)略性領(lǐng)域。如在石油開(kāi)采中，通過(guò)分析超聲波回聲探測(cè)所取得的數(shù)據(jù)，利用數(shù)字模擬可以增加找到礦脈的機(jī)會(huì)。而在航空工業(yè)里，計(jì)算機(jī)建模大大減少了在找到最佳空氣動(dòng)力學(xué)方案之前所要建造的機(jī)翼模型數(shù)量。從天體物理學(xué)到醫(yī)學(xué)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍無(wú)限廠闊，模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為洋流、核爆炸、地震活動(dòng)或雪崩建模，模擬宇宙的形成……幾乎所有科學(xué)研究領(lǐng)域都需要超級(jí)計(jì)算機(jī)。