超級計算機是個啥？

魏瑩

2016年11月，“國際超級計算機TOP500”在德國法蘭克福公布了最新的世界超級計算機排名，我國自主研制的“神威·太湖之光”超級計算機，每秒浮點運算次數達到 93 千萬億次，成為全球最快的超級計算機。

超級計算機是什么東西？

顧名思義，與一般的小型計算機相比，超級計算機就是具有超量級計算能力的機器。我們的個人計算機功能貌似強大，但要是碰上處理超大數據量以及特定的計算用途，計算能力就遠遠跟不上了。怎樣才能解決這個窘境呢？

一個很符合邏輯的辦法就是，一臺機子不行，那就把千千萬萬臺機子連起來，“機多力量大”嘛。所以，簡而言之，超級計算機系統是一個把很多計算機的計算能力有機地疊加在一起，以便滿足特定的計算應用的集群。

那么，超級計算機的具體作用在哪兒呢？

別急，下面的三個小故事會帶你進入未知的超級計算機世界。

1

艾倫·麥席森·圖靈（1912年-1954年），英國數學家、邏輯學家，被稱為“計算機之父”。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雜密碼加密機器恩尼格碼。恩尼格碼每天深夜自動切換密碼，有1016 種不同的變化，用人工計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劃，損失慘重。

為了破解德國密碼系統恩尼格碼，并盡快結束戰爭，圖靈奉命于危難之間，在分析了大量德國電文后，發現了許多電報有相當固定的格式。

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

圖靈發明的計算機，扭轉了大西洋戰場的局勢，使二戰至少提前兩年結束。

之所以提到這個故事，是因為這是最早利用計算機破譯密碼的例子。如果用今天最快的超級計算機來暴力破解恩尼格碼，需要多少時間呢？以“神威·太湖之光”的運算速度粗略地算，大概也就是 0.11 秒的事情！

2

2016年3月，人機大戰，世界圍棋冠軍李世石居然輸給了“阿爾法狗”，而且輸得很難看。

開賽前，無論是科技界還是圍棋界，根本對“阿爾法狗”戰勝李世石不看好，“棋圣”聶衛平也斷言“阿爾法狗”根本不是李世石的對手。

這一戰，打了很多人的臉，但也讓“人工智能”這個潮詞隔三差五地出現在新聞標題中。然而，你不知道的是，人工智能這朵迷人又搶眼的紅花，沒有了超級計算機這片綠葉的襯托，也是枉然。

你以為跟李世石對戰的就只是那臺電視直播里看到的小電腦嗎？錯了！是后面看不到的龐然大物。

這臺計算機的單機版裝有 48 個 CPU 和 8 個 GPU，算得上是小型的超級計算機，浮點運算能力可以達到每秒11萬億次。但為了達到更好的運算性能，“阿爾法狗”在訓練和對戰時還接入了1920個由CPU組成的網絡之中進行云計算，這遠程的計算能力也能傳輸給“阿爾法狗”，使其性能比單機版提高40倍，這才達到了挑戰人類高手的門檻。

你也許會經常聽到隔壁的電腦男談論CPU 的運算速度或頻率，這個戰斗數值放在超級計算機身上叫做每秒浮點運算次數，也就是對浮點數據進行運算的速度能力。

以搭載 i7-5500U 第五代酷睿處理器的聯想電腦為例，其主頻是2.4G赫茲，根據系統分析評測工具Whetstone benchmarks 得出其浮點運算速度大致為每秒142億次運算。

粗略地做一下比較，一臺“神威·太湖之光”的運算能力相當于 64 萬臺普通的聯想電腦，它開機1分鐘的工作量等于普通聯想電腦444 天的工作量，效率之高，不可謂不強悍。

人機大戰故事中的人工智能由軟件和硬件組成，算法是軟件，而超級計算機則是不可替代的硬件。在與李世石這樣的頂尖高手進行爭分奪秒的對弈過程中，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，你的機器恐怕還沒算完呢！

所以說，運算速度就是超級計算機的命根子。

3

“天宮一號”是中國第一個目標飛行器和空間實驗室，也是空間交會對接試驗中的被動目標。它于2011年9月29日升空，目前已在太空逗留了 5 年有余，預計將于 2017 年返回地球。

問題是，人類飛行器在返回地球過程中會發生“黑障”現象，與大氣劇烈摩擦使其上升至一千多攝氏度，并且通訊信號完全消失，這是一個十分危險的階段。所以，要提前預知其在降落過程中詳細的飛行數據和安全系數，以做到萬無一失。

但像這種耗資巨大、需動用各方面力量才能完成的高端空間飛行，研發人員在地面上根本做不到真實實驗，而傳統的風洞試驗結果也并非 100% 絕對可靠。

這時候，超級計算機便派上用場了。

國家計算流體力學實驗室很機智地借用了國家超級計算無錫中心的“神威·太湖之光”超級計算機，對“天宮一號”返回過程進行了電腦試驗，以進一步加強對數據可靠性的判斷。

研發人員把“天宮一號”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）、繞流狀態情況進行了大規模并行模擬。實驗使用了16384個處理器，在20天內便完成了常規需要12個月的計算任務，效率足足提高了18倍，并且計算結果與另一個風洞實驗結果較為吻合，為“天宮一號”飛行試驗提供了重要的數據支持。

一直以來，包括航天領域在內的科學研究是復雜運算的重災區。傳統計算機由于運算效能低下，使得科學家不得不遺棄很多科學研究。而如今超級計算機的加入，則像是摘掉了科學家頭上的緊箍咒，使得科學的世界一下子神清氣爽。

三個故事講完了，相信你對超級計算機也有了更多的了解。