“大國(guó)重器”—一超級(jí)計(jì)算機(jī)

作者簡(jiǎn)介：孟祥飛，超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)字世界的“建筑師”，負(fù)責(zé)我國(guó)重大自主創(chuàng)新成果“天河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)與開(kāi)拓。他和科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的“超算模式”，提升了超級(jí)計(jì)算機(jī)在產(chǎn)業(yè)、科研、學(xué)術(shù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力，使“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)成為名副其實(shí)的“國(guó)之重器”。

超級(jí)計(jì)算機(jī)到底有多快

人最快的運(yùn)算速度約為每秒5次加法運(yùn)算。1946年，世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)誕生，它每秒能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。現(xiàn)在，我們?nèi)耸忠慌_(tái)的智能手機(jī)其實(shí)也是一臺(tái)小小的計(jì)算機(jī)，它的計(jì)算速度已經(jīng)達(dá)到每秒幾十億次。而新一代的E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算能力將達(dá)到每秒百億億次，其工作一小時(shí)的計(jì)算量相當(dāng)于全世界70多億人一塊兒計(jì)算上萬(wàn)年。

想不想見(jiàn)識(shí)一下神奇的超級(jí)計(jì)算機(jī)呢？

如果把普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比作我們走路的速度，那么超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度就達(dá)到了火箭的速度。它為什么會(huì)這么快？原來(lái)，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)里面有幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)計(jì)算處理核心，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)把一個(gè)個(gè)計(jì)算處理核心組成一個(gè)整體，讓這些計(jì)算處理核心并行計(jì)算，從而讓它發(fā)揮“超級(jí)”計(jì)算的性能。

“天河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度經(jīng)歷了怎樣的變化呢？

天河一號(hào)是十多年前的一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)它是世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，具備千萬(wàn)億次的計(jì)算能力，這意味著它的計(jì)算速度達(dá)每秒1015次。天河一號(hào)工作一小時(shí)，相當(dāng)于全中國(guó)13億多人300多年的計(jì)算量。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，我們正在邁向一個(gè)新的超級(jí)計(jì)算速度的時(shí)代，叫E級(jí)計(jì)算時(shí)代。在E級(jí)計(jì)算時(shí)代，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力能達(dá)到每秒計(jì)算1018次，比天河一號(hào)跨越了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的計(jì)算能力。這種新的計(jì)算能力給我們帶來(lái)更加強(qiáng)大的科技研發(fā)能力，它工作一小時(shí)就相當(dāng)于全世界70多億人上萬(wàn)年的計(jì)算量。

超級(jí)計(jì)算機(jī)能算天、算地和算人

超級(jí)計(jì)算機(jī)是國(guó)之重器，是世界各國(guó)競(jìng)相角逐的科技制高點(diǎn)。雖然我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)曾在速度上多次蟬聯(lián)世界第一，但是看一個(gè)國(guó)家“超算”的性能與技術(shù)水平，不能僅看它的速度，更多的應(yīng)體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用上。

那么，超級(jí)計(jì)算機(jī)主要運(yùn)用在哪些方面呢？

超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，簡(jiǎn)單概括為“算天、算地、算人”，還有服務(wù)大科學(xué)、大裝置等的創(chuàng)新。

算天，例如天氣預(yù)報(bào)，用我國(guó)自主研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)，給老百姓提供了高質(zhì)量的天氣預(yù)報(bào)，大家的反映是天氣預(yù)報(bào)越來(lái)越準(zhǔn)了。現(xiàn)在還能提供中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，每天計(jì)算出來(lái)的結(jié)果可以支持一周以上長(zhǎng)效的預(yù)報(bào)。這使我們能夠更有效地應(yīng)對(duì)一些自然災(zāi)害的發(fā)生。此外，還能預(yù)報(bào)一些突發(fā)的天氣現(xiàn)象，像臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰凍等極端災(zāi)害天氣。我們結(jié)合新的數(shù)據(jù)，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)，借助超級(jí)計(jì)算能力，預(yù)報(bào)出未來(lái)天氣的運(yùn)行軌跡，為國(guó)家的防災(zāi)減災(zāi)，為老百姓的生活提供幫助。

算地，也跟老百姓的生活相關(guān)。主要包括地震預(yù)測(cè)、礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)、油氣能源勘探開(kāi)發(fā)等。借助超級(jí)計(jì)算機(jī)分析野外采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于用超級(jí)計(jì)算機(jī)反演，給地下環(huán)境成像，就好比給地球做CT（電子計(jì)算斷層掃描）。這樣一來(lái)，就可以更精確地找到油氣資源的分布，提高開(kāi)采效率。我們做飯用的天然氣、開(kāi)車(chē)用的汽油等，這些與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的東西，都有著超級(jí)計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)。

算人，就跟人更密切了。首先，運(yùn)用于基因大數(shù)據(jù)的解讀。通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的現(xiàn)代基因大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以幫助人們精確地預(yù)測(cè)一些重大疾病的發(fā)生，包括像唐氏綜合征等一些先天性缺陷病癥、乳腺癌等癌癥，最大限度地發(fā)現(xiàn)疾病隱患，從而讓醫(yī)學(xué)治療進(jìn)行早期干預(yù)。同時(shí)，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)基因數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)進(jìn)行模擬分析，可以開(kāi)發(fā)出更精準(zhǔn)的治療藥物，例如靶向藥物的研發(fā)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)與港珠澳大橋

“天河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，支撐了2000多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)、幾十個(gè)重大領(lǐng)域的應(yīng)用。超級(jí)計(jì)算機(jī)有著巨大的體形，一旦運(yùn)行起來(lái)從不休息。它可以讓許多事情更高效，如電影特效、飛機(jī)設(shè)計(jì)、汽車(chē)生產(chǎn)等。它還曾為聞名世界的港珠澳大橋服務(wù)，具體是怎樣發(fā)揮作用的呢？

港珠澳大橋有一個(gè)重要的施工環(huán)節(jié)——沉管隧道施工。大橋的隧道由33節(jié)沉管連接而成，每節(jié)沉管的內(nèi)部由超過(guò)40萬(wàn)根近1萬(wàn)噸的鋼筋和7萬(wàn)噸混凝土組成，這些沉管需要一一沉人海底后實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。沉管的施工需要模擬洋流對(duì)沉管的影響，包括裝配的誤差、海底泥沙的淤積等對(duì)沉管帶來(lái)的影響。我們不能先進(jìn)行沉管施工，再去解決這些實(shí)際問(wèn)題，那樣工程量太大了。所以，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)先進(jìn)行模擬，模擬整個(gè)海底地形環(huán)境及洋流運(yùn)行過(guò)程，觀察洋流對(duì)沉管施工帶來(lái)的影響，預(yù)測(cè)今后海底泥沙的淤積對(duì)港珠澳大橋海底部分會(huì)帶來(lái)多大的影響。

超級(jí)計(jì)算機(jī)與人工智能

如今，人工智能的應(yīng)用越來(lái)越廣，有人臉識(shí)別、刷臉支付、智能語(yǔ)音翻譯、無(wú)人駕駛、無(wú)人超市等。超級(jí)計(jì)算機(jī)是否可以幫助更好地實(shí)現(xiàn)人工智能呢？

人工智能由人臉識(shí)別、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)決策、自動(dòng)化控制等技術(shù)支撐，這些技術(shù)形成的一個(gè)最重要的階段，就是要形成訓(xùn)練模型，相當(dāng)于人臉識(shí)別的后臺(tái)軟件。它要經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練分析，然后逐步形成一個(gè)深度學(xué)習(xí)的框架，即形成一個(gè)軟件。再把它部署到前端，就可以去進(jìn)行人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等。這個(gè)訓(xùn)練過(guò)程需要大規(guī)模計(jì)算，而新一代的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以逐步支撐人工智能的訓(xùn)練和“大規(guī)模場(chǎng)景”的打造。

在超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，人工智能會(huì)更高效地幫助人類完成工作，也會(huì)代替更多的工作崗位和職業(yè)。未來(lái)人工智能會(huì)不會(huì)替代人類呢？

汽車(chē)比人跑得快，飛機(jī)能飛，潛艇會(huì)潛航，是因?yàn)槲覀冋莆樟藲鈩?dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)的物理性規(guī)律。人工智能其實(shí)跟人類智能是完全不同的兩個(gè)概念，現(xiàn)在的人工智能發(fā)展，是以基于計(jì)算機(jī)帶來(lái)的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)形成的超級(jí)計(jì)算的能力，然后逐漸誕生機(jī)器智能的一個(gè)過(guò)程，它替代不了人的智能。但是我們應(yīng)該相信的是，人工智能會(huì)帶來(lái)越來(lái)越強(qiáng)大的科技能力。

超級(jí)計(jì)算機(jī)助力我們更美好地生活，相信在不久的將來(lái)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的潛力將進(jìn)一步釋放，算天、算地再算人，未來(lái)一切皆可算，而這一切都需要我們?nèi)祟惖闹腔蹃?lái)支撐。

我們每一個(gè)人都是有7000億萬(wàn)顆原子的小宇宙，我國(guó)正在開(kāi)啟強(qiáng)國(guó)建設(shè)的新征程，我們要激發(fā)我們的小宇宙，讓我們成為新征程道路上奮發(fā)有為的強(qiáng)國(guó)一代。我也期待對(duì)于“超算”的未來(lái)，同學(xué)們都能貢獻(xiàn)各自的智慧！

延伸閱讀：

在2021年底最新公布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，日本的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”在運(yùn)算速度等4項(xiàng)性能排名上位居世界第一，美國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”和“山脊”分列二三位，我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”位居第四。榜單與往年相比沒(méi)有太大變化，而萬(wàn)眾期待的E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)仍然沒(méi)有出現(xiàn)。

據(jù)報(bào)道，我國(guó)在E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域布局已久。目前已有“神威”E級(jí)原型機(jī)、 “天河”E級(jí)原型機(jī)和“曙光”E級(jí)原型機(jī)三個(gè)不同技術(shù)路線的原型機(jī)系統(tǒng)完成交付。

與此同時(shí)，量子計(jì)算成為全球最前沿的科學(xué)技術(shù)，有望給未來(lái)社會(huì)帶來(lái)顛覆性的改變。因此，許多國(guó)家都在研究這一先進(jìn)技術(shù)，希望能贏得未來(lái)發(fā)展的先機(jī)。令人欣慰的是，我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界的前列，在超導(dǎo)量子與光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵突破。我國(guó)最新研制的光量子計(jì)算原型機(jī)——“九章二號(hào)”已成功問(wèn)世，計(jì)算能力又一次實(shí)現(xiàn)了顯著突破。據(jù)介紹，與當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，在處理特定問(wèn)題的速度上，“九章二號(hào)”快了1024倍，也就是億億億倍。而66比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”也揭開(kāi)了神秘的面紗。在“量子隨機(jī)線路取樣”快速求解上，“祖沖之二號(hào)”的求解速度是當(dāng)前最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的一千萬(wàn)倍。這無(wú)疑是我國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)里程碑式的突破。