国之重器 超级大脑

侯立顺

2015年1月9日，北京，人民大会堂 ，“天河一号”超级计算机获2014年度国家科技进步奖特等奖，这是一个历史性的时刻。从1983年中国科学家研制成功“银河”第一代巨型计算机开始，历经数代中国科学家的艰苦探索，2010年，我国的超级计算机“天河一号”，勇夺国际TOP500排名第一。“天河一号”可以在1秒钟内实现2 570万亿次运算，而普通的商用计算机峰值为每秒10亿次运算。中国超级计算机终于冲上世界之巅，“天河一号”也被誉为“国之重器”。

玻璃房子的故事

20世纪80年代，中国气象部门想从欧美进口一台计算机，美国克雷公司起初死活不肯卖。后来好不容易成交了，却将计算机封在玻璃机房里，并在计算机机房安装监视仪器，机器也要由他们自己人使用监控，不许中国科技人员进去。这段真实的历史，是中国科研工作者心中永远的痛。

2014年11月18日，由确定超级计算机运算速度的欧美专家组成的“国际TOP500组织”公布了最新排行榜。根据软件测试，中国的“天河二号”超级计算机运算速度达到了每秒33.86千万亿次，连续四次成为世界第一的计算机系统。相比此前排名世界第一的美国克雷公司“泰坦”超级计算机，“天河二号”计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍。与“天河一号”相比，“天河二号”计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，耗电量只有“天河一号”的1/3。“天河二号”运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1 000年，其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册。

超级计算机什么样？

一台超级计算机由安放在巨大空调机房中的数十个机柜组成。机柜里，数以百计的服务器和成千上万的芯片彼此相联，终日轰鸣，需要多位技术人员维护其运行。超级计算机所用的处理器和最快的个人电脑并无二致，但数量却以万计，以并行运算的方式分担着计算任务。工程师们还对一般用于游戏机的图像处理器加以利用，从而能够以相对较低的能耗大大加快运算速度。中国的“天河一号”装有7 000块图形处理芯片和1.4万个英特尔处理器。

专家预测，10年后，计算机的速度将比现在快上1 000倍，速度单位将升级为“百亿亿次/秒”。不过为了加快运算速度，就必须使用更多的处理器。超级计算机是个耗能大户，每一台的功率赶得上一个火车头！若将运算速度提高到“百亿亿次/秒”的级别，超级计算机功率就要提高1 000倍，它们将不得不建在发电厂旁边才能维持电力供给！因此，目前研究主要是减少处理器的电力消耗，如对处理器之间的数据传输进行优化。另一个目标则是开发新的编程语言来“协调”数十万处理器之间的工作并预防故障的发生。

为什么需要超速运算？

当情况过于复杂，无法通过实验模拟时，超级计算机即可大显身手。超级计算机可对地震、探矿、飞机穿过气流或药物作用于细胞等各种现象进行数字化分析。

最早借助超级计算机的是气象学家，他们得以进行更为周密的运算，并对气候变化做出预测。这些功能强大的计算机分析来自卫星的信息，将它们与数据库中的历史数据进行对比。鉴于现在气候研究以全球为考量，所以越来越需要先进的运算工具，来分析诸如风和温度的变化，地形、土壤湿度、洋流路线或大气污染物排放等纷繁复杂的信息。

当然，超级计算机也被用于其他战略性领域。如在石油开采中，通过分析超声波回声探测所取得的数据，利用数字模拟可以增加找到矿脉的机会。而在航空工业里，计算机建模大大减少了在找到最佳空气动力学方案之前所要建造的机翼模型数量。从天体物理学到医学，超级计算机的应用范围无限广阔，模拟蛋白质结构，为洋流、核爆炸、地震活动或雪崩建模，模拟宇宙的形成……几乎所有科学研究领域都需要超级计算机。

我国为何投身超级计算机？

如果缺少这一科学疆场上必不可少的“打击力量”，就无法真正成为强国。中国经济总量在2010年超过了日本，成为仅次于美国的世界第二大经济体。这个长期以来以低成本加工业著称的“世界工厂”，现在已进入了飞速发展的阶段。为了迎头赶上，中国投入巨资，对工业体系进行改造，一方面以满足国民富裕后的消费需求，另一方面旨在掌握战略性装备（如军用飞机或卫星）的建造技术。在这新一轮的创新大战中，高性能的计算工具无疑是一件珍贵的武器。

超级计算机除用于模拟演算地震、海啸、台风等地球科学及有关宇宙形成的研究外，还将运用于新材料、医药用品、汽车及飞机的研发等工作。对于计算机性能的要求似乎永无止境，因为人们总是想以更快的速度模拟复杂现象。事实上，一个国家拥有的超级计算机的数量和性能如今甚至成为衡量其经济实力的一项指标。各国研究机构近十几年所装备的超级计算机，速度最快的可以在一天内完成普通商用计算机需要300年才能完成的任务！

中学生能为超速运算做些什么？

超级计算机发展的主要障碍在于成本过高，一台超级计算机由许多机组构成，仅仅一个制作机组就需要花费数千欧元，而运行后的电力和后期维护会进一步增加费用。工程师们也曾试验过其他更为经济节约的方法，计算机网络或称为网格计算被证明是可行的解决之道。采用联网个人电脑进行的网格计算有时能成功替代超级计算机完成任务。

美国加州大学伯克利分校十几年来使用数以百万计接入互联网的个人电脑，搜索外星生命迹象，这就是著名的Seti@home项目（在家搜寻外星智慧，是一个通过互联网利用家用个人计算机处理天文数据的分布式计算项目。该项目试图通过分析阿雷西博射电望远镜采集的无线电信号，搜寻能够证实外星智能生物存在的证据）。该项目数据基数很大，超过了千万位数，是目前世界上最大的分布式计算项目，已有160多万台计算机加入了此项目，而中国大约有超过2万名志愿者参与其中。其实，只要你的电脑有闲置的时间并且接入网络，就可以帮助他们寻找外星人、探索生命奥秘，只需要你安装美国加州大学伯克利分校的分布式计算软件：BONIC官方下载地址：http：//boinc.berkeley.edu/ download.php

如果计算机配备了NVIDIA的显卡，你可以通过显卡来计算：http：//boinc.berkeley.edu/ wiki/GPU_computing.

此外，还有一种替代方案也在研究之中，那就是使用储存互联网高性能服务器。淘宝、亚马孙等网站的大型服务器往往没有被充分利用，或可用来完成大量高强度运算，并在某些没有超级计算机的企业有需求的时候开放数字模拟服务。