超級(jí)計(jì)算機(jī)是個(gè)啥？

魏瑩

2016年11月，“國際超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500”在德國法蘭克福公布了最新的世界超級(jí)計(jì)算機(jī)排名，我國自主研制的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)達(dá)到 93 千萬億次，成為全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)是什么東西？

顧名思義，與一般的小型計(jì)算機(jī)相比，超級(jí)計(jì)算機(jī)就是具有超量級(jí)計(jì)算能力的機(jī)器。我們的個(gè)人計(jì)算機(jī)功能貌似強(qiáng)大，但要是碰上處理超大數(shù)據(jù)量以及特定的計(jì)算用途，計(jì)算能力就遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上了。怎樣才能解決這個(gè)窘境呢？

一個(gè)很符合邏輯的辦法就是，一臺(tái)機(jī)子不行，那就把千千萬萬臺(tái)機(jī)子連起來，“機(jī)多力量大”嘛。所以，簡而言之，超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)把很多計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有機(jī)地疊加在一起，以便滿足特定的計(jì)算應(yīng)用的集群。

那么，超級(jí)計(jì)算機(jī)的具體作用在哪兒呢？

別急，下面的三個(gè)小故事會(huì)帶你進(jìn)入未知的超級(jí)計(jì)算機(jī)世界。

1

艾倫·麥席森·圖靈（1912年-1954年），英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被稱為“計(jì)算機(jī)之父”。電影《模仿游戲》講的就是他的故事，電影故事的主線是講如何破解德軍使用的復(fù)雜密碼加密機(jī)器恩尼格碼。恩尼格碼每天深夜自動(dòng)切換密碼，有1016 種不同的變化，用人工計(jì)算的方法根本來不及在下一次切換前破解，這使得盟軍無法提前得知德軍轟炸和潛艇獵殺的計(jì)劃，損失慘重。

為了破解德國密碼系統(tǒng)恩尼格碼，并盡快結(jié)束戰(zhàn)爭，圖靈奉命于危難之間，在分析了大量德國電文后，發(fā)現(xiàn)了許多電報(bào)有相當(dāng)固定的格式。

以此為突破點(diǎn)，圖靈想到了用“候選單詞”這一方法來破譯恩尼格電文，并提出了唯有機(jī)器才能擊敗機(jī)器的理論。他率領(lǐng)軍情六處的科學(xué)家們秘密研發(fā)破譯密碼的機(jī)器，并于兩年后成功破解了德軍密碼。

圖靈發(fā)明的計(jì)算機(jī)，扭轉(zhuǎn)了大西洋戰(zhàn)場的局勢，使二戰(zhàn)至少提前兩年結(jié)束。

之所以提到這個(gè)故事，是因?yàn)檫@是最早利用計(jì)算機(jī)破譯密碼的例子。如果用今天最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)來暴力破解恩尼格碼，需要多少時(shí)間呢？以“神威·太湖之光”的運(yùn)算速度粗略地算，大概也就是 0.11 秒的事情！

2

2016年3月，人機(jī)大戰(zhàn)，世界圍棋冠軍李世石居然輸給了“阿爾法狗”，而且輸?shù)煤茈y看。

開賽前，無論是科技界還是圍棋界，根本對(duì)“阿爾法狗”戰(zhàn)勝李世石不看好，“棋圣”聶衛(wèi)平也斷言“阿爾法狗”根本不是李世石的對(duì)手。

這一戰(zhàn)，打了很多人的臉，但也讓“人工智能”這個(gè)潮詞隔三差五地出現(xiàn)在新聞標(biāo)題中。然而，你不知道的是，人工智能這朵迷人又搶眼的紅花，沒有了超級(jí)計(jì)算機(jī)這片綠葉的襯托，也是枉然。

你以為跟李世石對(duì)戰(zhàn)的就只是那臺(tái)電視直播里看到的小電腦嗎？錯(cuò)了！是后面看不到的龐然大物。

這臺(tái)計(jì)算機(jī)的單機(jī)版裝有 48 個(gè) CPU 和 8 個(gè) GPU，算得上是小型的超級(jí)計(jì)算機(jī)，浮點(diǎn)運(yùn)算能力可以達(dá)到每秒11萬億次。但為了達(dá)到更好的運(yùn)算性能，“阿爾法狗”在訓(xùn)練和對(duì)戰(zhàn)時(shí)還接入了1920個(gè)由CPU組成的網(wǎng)絡(luò)之中進(jìn)行云計(jì)算，這遠(yuǎn)程的計(jì)算能力也能傳輸給“阿爾法狗”，使其性能比單機(jī)版提高40倍，這才達(dá)到了挑戰(zhàn)人類高手的門檻。

你也許會(huì)經(jīng)常聽到隔壁的電腦男談?wù)揅PU 的運(yùn)算速度或頻率，這個(gè)戰(zhàn)斗數(shù)值放在超級(jí)計(jì)算機(jī)身上叫做每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)，也就是對(duì)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的速度能力。

以搭載 i7-5500U 第五代酷睿處理器的聯(lián)想電腦為例，其主頻是2.4G赫茲，根據(jù)系統(tǒng)分析評(píng)測工具Whetstone benchmarks 得出其浮點(diǎn)運(yùn)算速度大致為每秒142億次運(yùn)算。

粗略地做一下比較，一臺(tái)“神威·太湖之光”的運(yùn)算能力相當(dāng)于 64 萬臺(tái)普通的聯(lián)想電腦，它開機(jī)1分鐘的工作量等于普通聯(lián)想電腦444 天的工作量，效率之高，不可謂不強(qiáng)悍。

人機(jī)大戰(zhàn)故事中的人工智能由軟件和硬件組成，算法是軟件，而超級(jí)計(jì)算機(jī)則是不可替代的硬件。在與李世石這樣的頂尖高手進(jìn)行爭分奪秒的對(duì)弈過程中，軟件即使寫得再漂亮，如果超算速度跟不上的話，李世石下好了子，你的機(jī)器恐怕還沒算完呢！

所以說，運(yùn)算速度就是超級(jí)計(jì)算機(jī)的命根子。

3

“天宮一號(hào)”是中國第一個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室，也是空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)中的被動(dòng)目標(biāo)。它于2011年9月29日升空，目前已在太空逗留了 5 年有余，預(yù)計(jì)將于 2017 年返回地球。

問題是，人類飛行器在返回地球過程中會(huì)發(fā)生“黑障”現(xiàn)象，與大氣劇烈摩擦使其上升至一千多攝氏度，并且通訊信號(hào)完全消失，這是一個(gè)十分危險(xiǎn)的階段。所以，要提前預(yù)知其在降落過程中詳細(xì)的飛行數(shù)據(jù)和安全系數(shù)，以做到萬無一失。

但像這種耗資巨大、需動(dòng)用各方面力量才能完成的高端空間飛行，研發(fā)人員在地面上根本做不到真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也并非 100% 絕對(duì)可靠。

這時(shí)候，超級(jí)計(jì)算機(jī)便派上用場了。

國家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室很機(jī)智地借用了國家超級(jí)計(jì)算無錫中心的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)“天宮一號(hào)”返回過程進(jìn)行了電腦試驗(yàn)，以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的判斷。

研發(fā)人員把“天宮一號(hào)”飛行器兩艙簡化外形（長度 10 余米、橫截面直徑近 3.5 米）、隕落飛行（高度為 65 千米 和 62 千米，速度為 13 馬赫）、繞流狀態(tài)情況進(jìn)行了大規(guī)模并行模擬。實(shí)驗(yàn)使用了16384個(gè)處理器，在20天內(nèi)便完成了常規(guī)需要12個(gè)月的計(jì)算任務(wù)，效率足足提高了18倍，并且計(jì)算結(jié)果與另一個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，為“天宮一號(hào)”飛行試驗(yàn)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

一直以來，包括航天領(lǐng)域在內(nèi)的科學(xué)研究是復(fù)雜運(yùn)算的重災(zāi)區(qū)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由于運(yùn)算效能低下，使得科學(xué)家不得不遺棄很多科學(xué)研究。而如今超級(jí)計(jì)算機(jī)的加入，則像是摘掉了科學(xué)家頭上的緊箍咒，使得科學(xué)的世界一下子神清氣爽。

三個(gè)故事講完了，相信你對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)也有了更多的了解。