“大国重器”—一超级计算机

作者简介：孟祥飞，超级计算机数字世界的“建筑师”，负责我国重大自主创新成果“天河”系列超级计算机应用技术的研发与开拓。他和科研团队通过创新驱动发展的“超算模式”，提升了超级计算机在产业、科研、学术等领域的创新能力和应用能力，使“天河”超级计算机成为名副其实的“国之重器”。

超级计算机到底有多快

人最快的运算速度约为每秒5次加法运算。1946年，世界上第一台通用计算机诞生，它每秒能进行5000次加法运算。现在，我们人手一台的智能手机其实也是一台小小的计算机，它的计算速度已经达到每秒几十亿次。而新一代的E级超级计算机系统的计算能力将达到每秒百亿亿次，其工作一小时的计算量相当于全世界70多亿人一块儿计算上万年。

想不想见识一下神奇的超级计算机呢？

如果把普通计算机的运算速度比作我们走路的速度，那么超级计算机的运算速度就达到了火箭的速度。它为什么会这么快？原来，一台超级计算机里面有几十万甚至上百万个计算处理核心，通过高速网络把一个个计算处理核心组成一个整体，让这些计算处理核心并行计算，从而让它发挥“超级”计算的性能。

“天河”系列超级计算機的速度经历了怎样的变化呢？

天河一号是十多年前的一台超级计算机，当时它是世界上最快的超级计算机，具备千万亿次的计算能力，这意味着它的计算速度达每秒1015次。天河一号工作一小时，相当于全中国13亿多人300多年的计算量。经过10多年的发展，我们正在迈向一个新的超级计算速度的时代，叫E级计算时代。在E级计算时代，一台超级计算机的计算能力能达到每秒计算1018次，比天河一号跨越了两个数量级以上的计算能力。这种新的计算能力给我们带来更加强大的科技研发能力，它工作一小时就相当于全世界70多亿人上万年的计算量。

超级计算机能算天、算地和算人

超级计算机是国之重器，是世界各国竞相角逐的科技制高点。虽然我国的超级计算机曾在速度上多次蝉联世界第一，但是看一个国家“超算”的性能与技术水平，不能仅看它的速度，更多的应体现在实际应用上。

那么，超级计算机主要运用在哪些方面呢？

超级计算机的应用，简单概括为“算天、算地、算人”，还有服务大科学、大装置等的创新。

算天，例如天气预报，用我国自主研制的超级计算机，给老百姓提供了高质量的天气预报，大家的反映是天气预报越来越准了。现在还能提供中长期天气预报，每天计算出来的结果可以支持一周以上长效的预报。这使我们能够更有效地应对一些自然灾害的发生。此外，还能预报一些突发的天气现象，像台风、暴雨、冰冻等极端灾害天气。我们结合新的数据，能够在最短的时间内，借助超级计算能力，预报出未来天气的运行轨迹，为国家的防灾减灾，为老百姓的生活提供帮助。

算地，也跟老百姓的生活相关。主要包括地震预测、矿产勘探开发、油气能源勘探开发等。借助超级计算机分析野外采集的地质数据，相当于用超级计算机反演，给地下环境成像，就好比给地球做CT（电子计算断层扫描）。这样一来，就可以更精确地找到油气资源的分布，提高开采效率。我们做饭用的天然气、开车用的汽油等，这些与我们日常生活相关的东西，都有着超级计算机的贡献。

算人，就跟人更密切了。首先，运用于基因大数据的解读。通过超级计算机对获取的现代基因大数据进行分析，可以帮助人们精确地预测一些重大疾病的发生，包括像唐氏综合征等一些先天性缺陷病症、乳腺癌等癌症，最大限度地发现疾病隐患，从而让医学治疗进行早期干预。同时，通过超级计算机对基因数据和蛋白质进行模拟分析，可以开发出更精准的治疗药物，例如靶向药物的研发。

超级计算机与港珠澳大桥

“天河”系列超级计算机平台，支撑了2000多个科研团队、几十个重大领域的应用。超级计算机有着巨大的体形，一旦运行起来从不休息。它可以让许多事情更高效，如电影特效、飞机设计、汽车生产等。它还曾为闻名世界的港珠澳大桥服务，具体是怎样发挥作用的呢？

港珠澳大桥有一个重要的施工环节——沉管隧道施工。大桥的隧道由33节沉管连接而成，每节沉管的内部由超过40万根近1万吨的钢筋和7万吨混凝土组成，这些沉管需要一一沉人海底后实现无缝对接。沉管的施工需要模拟洋流对沉管的影响，包括装配的误差、海底泥沙的淤积等对沉管带来的影响。我们不能先进行沉管施工，再去解决这些实际问题，那样工程量太大了。所以，通过超级计算机先进行模拟，模拟整个海底地形环境及洋流运行过程，观察洋流对沉管施工带来的影响，预测今后海底泥沙的淤积对港珠澳大桥海底部分会带来多大的影响。

超级计算机与人工智能

如今，人工智能的应用越来越广，有人脸识别、刷脸支付、智能语音翻译、无人驾驶、无人超市等。超级计算机是否可以帮助更好地实现人工智能呢？

人工智能由人脸识别、模式识别、数据决策、自动化控制等技术支撑，这些技术形成的一个最重要的阶段，就是要形成训练模型，相当于人脸识别的后台软件。它要经过大量数据的训练分析，然后逐步形成一个深度学习的框架，即形成一个软件。再把它部署到前端，就可以去进行人脸识别、语音识别等。这个训练过程需要大规模计算，而新一代的超级计算机可以逐步支撑人工智能的训练和“大规模场景”的打造。

在超级计算机的帮助下，人工智能会更高效地帮助人类完成工作，也会代替更多的工作岗位和职业。未来人工智能会不会替代人类呢？

汽车比人跑得快，飞机能飞，潜艇会潜航，是因为我们掌握了气动力学和水动力学的物理性规律。人工智能其实跟人类智能是完全不同的两个概念，现在的人工智能发展，是以基于计算机带来的数字化和计算机形成的超级计算的能力，然后逐渐诞生机器智能的一个过程，它替代不了人的智能。但是我们应该相信的是，人工智能会带来越来越强大的科技能力。

超级计算机助力我们更美好地生活，相信在不久的将来，超级计算机的潜力将进一步释放，算天、算地再算人，未来一切皆可算，而这一切都需要我们人类的智慧来支撑。

我们每一个人都是有7000亿万颗原子的小宇宙，我国正在开启强国建设的新征程，我们要激发我们的小宇宙，让我们成为新征程道路上奋发有为的强国一代。我也期待对于“超算”的未来，同学们都能贡献各自的智慧！

延伸阅读：

在2021年底最新公布的全球超级计算机500强榜单中，日本的超级计算机“富岳”在运算速度等4项性能排名上位居世界第一，美国的超级计算机“顶点”和“山脊”分列二三位，我国的超级计算机“神威·太湖之光”位居第四。榜单与往年相比没有太大变化，而万众期待的E级超级计算机仍然没有出现。

据报道，我国在E级超级计算机领域布局已久。目前已有“神威”E级原型机、 “天河”E级原型机和“曙光”E级原型机三个不同技术路线的原型机系统完成交付。

与此同时，量子计算成为全球最前沿的科学技术，有望给未来社会带来颠覆性的改变。因此，许多国家都在研究这一先进技术，希望能赢得未来发展的先机。令人欣慰的是，我国在量子计算领域已经走在了世界的前列，在超导量子与光量子两种系统的量子计算方面实现了关键突破。我国最新研制的光量子计算原型机——“九章二号”已成功问世，计算能力又一次实现了显著突破。据介绍，与当前最快的超级计算机相比，在处理特定问题的速度上，“九章二号”快了1024倍，也就是亿亿亿倍。而66比特超导量子计算原型机“祖冲之二号”也揭开了神秘的面纱。在“量子随机线路取样”快速求解上，“祖冲之二号”的求解速度是当前最快超级计算机的一千万倍。这无疑是我国超导量子计算机里程碑式的突破。