計算高手

從1993年開始，國際超級計算大會會列出世界上運算速度最快的計算機名單，每年發布兩次。在這個已有20年歷史的Top500榜單上，我國國防科技大學開發的“天河二號”超級計算機，以每秒計算5.49億億次的峰值計算速度榮登榜首，而排名第二的、位于美國橡樹嶺國家實驗室的“泰坦”，計算速度只有天河二號的一半。

這是自2011年6月“天河一號”位列Top500榜首之后，我國超級計算機的又一次成功登頂；而2011年年末曾超越天河一號的日本“京”超級計算機，本次只位列第四，速度僅為天河二號的五分之一。為了應對天河二號帶來的挑戰，美國能源部和日本文部科學省宣布聯合開發超級計算機，希望能在2020年打造出新一代超級計算機，目標運算能力將達到“京”的100倍以上。

超級計算力

自從英國人查爾斯·巴貝吉在1828年發明了機械差分機以來，人類開始倚重機器來進行計算；而隨著我們正在把一切都數字化，這種依賴則變得越來越強。1946年，世界第一臺電子計算機誕生，并且很快用于人口統計和公司財務管理等領域；現在，在商業、工業、科學研究乃至娛樂的各個領域，都在呼喚更強大的計算機。到了今天，超級計算機的發展水平，甚至已經成為國家科技發展的標志之一。

現在天河二號一小時的計算能力，相當于全球人民每秒鐘計算一次，一直計算200年。這樣的計算能力，是許多行業夢寐以求的。銀行和金融行業用超級計算機在極短時間里處理大量資金流動，石油工業用超級計算機來仿真分析地層結構尋找油田，醫藥公司用超級計算機探索蛋白質結構開發新藥；甚至就連我們玩的大型網絡游戲，也在用超級計算機處理百萬玩家傳遞來的數據，確保每個玩家眼中看到的都是同一個虛擬世界。

這只是一些簡單的例子。超級計算機幫助我們為基因重新篩選排序，讓我們從分子的層面更好地了解自身；超級計算機幫助渲染出真假難辨的3D畫面，讓電影院中的享受宛如踏入全新世界；超級計算機成為互聯網的重要節點，讓我們能在指尖跨越國界，將20億人的思想緊密連接在一起。

通向“超級”之路

超級計算機的構建思路，和傳統計算機不大一樣，這可以從超級計算機的衡量指標看出來。作為追求極致速度的計算工具，超級計算機的指標只有寥寥幾項：峰值計算速度、持續計算速度、耗能。雖然有一些質疑的聲音，但是這幾項指標基本上可以反映超級計算機的性能和效率。

天河二號的持續計算速度是每秒鐘3.39億億次，同樣比第二名高出一倍左右。這意味著在同一秒鐘內，它能完成的計算量是“泰坦”的二倍，或者說，同樣的問題求解過程，在天河二號上只需要花一半的時間。顯然，持續計算速度越高，所需要的時間就越少；而時間就是一切。

至于計算時的耗能，則顯然越低越好。現在天河二號的能耗效率是1.9億次/瓦，在榜單中排名200位開外，與2008年世界最快的超級計算機相當，大約相當于同在榜上的、排名第十的“天河一號”能耗效率的三倍；但是考慮到天河二號的運算速度是天河一號的十倍以上，這種能耗效率也足以振奮人心。

計算速度和能耗都不只取決于構成超級計算機的技術，還更多地有賴于結構設計和各類軟件。對于超級計算機來說，軟件的重要性甚至超過硬件：只有通過合適的軟件，把計算任務以最優的方式分配、及時監測和充分利用每一塊處理器的性能，才可能獲得整體最優的結果。如何調整優化整體性能，是超級計算機最重要的研究方向之一；而天河二號在這一方面，也有其獨特優勢。

天河二號并不是一臺計算機，而是一個由170部機柜組成的復雜系統。它有一萬六千個計算節點，每個節點由兩塊處理器和三個協處理器構成，計算核心超過三百萬個；雖然大部分計算核心都來自于英特爾公司，但由我國自主開發的“飛騰1500”計算核心依然占了總數的八分之一，并全部用于服務模塊的應用當中。在天河二號上同時首次使用了自主開發的“異構多態體系結構”，采用了基于Linux開發的“麒麟”操作系統和自主開發的高速網絡通信系統和能耗綜合控制技術。因為超越第二名太遠，因此有分析家認為，也許直到2015年，天河二號還能繼續保持世界第一。

超級明天

除了政府部門、科研機構和大型企業，普通人和小型機構也可以從超級計算機中得益。天河二號將于今年年末之前落戶廣州超級計算中心，提供計算能力的租用服務。無論是生物醫藥研究、航空航天設計、太空和地面衛星數據處理還是基礎科學計算，天河二號都可以一展身手。也許，和云計算的趨勢相結合，天河二號這樣的超級計算機將成為新時代的電力和自來水：即需即用，隨處可得。

上世紀九十年代，升陽微系統公司的創始人斯科特·麥克尼利曾經提出過“網絡就是計算機”的論斷，這種設想正在逐漸成為現實。當我們可以方便地通過網絡調用計算資源的時候，自己隨身攜帶笨重計算裝置就變得毫無意義，計算終端甚至簡單得可以只剩輸入和輸出設備，它的“大腦”可以通過無線網絡來連接。超級計算機能夠讓人們把自己的計算任務從自家書房轉移到超級計算中心，完成那些在個人計算機上無法完成的任務；也許再過幾年，我們就可以使用更為簡單的客戶端來調用不知身在何處的超級計算機為我們工作。

這樣的未來并不遙遠。當電力無處不在且充分豐裕和穩定時，自備發電機就會顯得可笑；當自來水源源不斷時，自己打井將會變得成本高昂。我們正在邁進計算能力和網絡資源的豐裕期，當我們有了足夠強大的公共計算能力時，個人電腦就會像自家院子里的井一樣成為歷史遺跡。無論是對我們自己還是對于這個世界，這都是更好的未來。

（作者為IT科技專欄作家）