走進生活的超級計算機

猛 犸

1997年5月，一場國際象棋比賽結(jié)束后，國際象棋世界冠軍加里·卡斯帕羅夫坐在房間角落里，用手遮住了臉。這次他的對手是一臺IBM公司生產(chǎn)的超級計算機，叫做深藍。這臺高大沉默的機器，在六局的比賽中，以3.5:2.5的戰(zhàn)績戰(zhàn)勝了這位世界上最優(yōu)秀的國際象棋大師。

十多年過去了，現(xiàn)在的國際象棋大師已經(jīng)不再嘗試挑戰(zhàn)計算機。在強大的計算能力和近乎無窮無盡的存儲能力面前，象棋大師們的艱苦訓(xùn)練和超人直覺并不能幫助他們?nèi)〉脛倮?/p>

即使目前世界上最強大的計算機也沒有直覺，不會聯(lián)想，更不會因為別人對它的看法而心緒不寧。它不能理解三歲孩子都能夠理解的話語，一只貓都比它更會察言觀色。但是這些沉默的機器擅長的事情是人類絕不可能完成的：它們能夠每秒鐘計算幾十萬億、數(shù)百萬億次，能夠儲存天文數(shù)字般的數(shù)據(jù)。它們工作在我們看不見的地方，卻和我們的生活密切相關(guān)。

離不開的超級計算機

國際超級計算大會(ISC)每年都會發(fā)布兩次世界上運算速度最快的計算機名單，叫做Top500榜單。對于像證券交易這樣實時性要求高的系統(tǒng)，必須要求高速處理能力——證券市場瞬息萬變，0.01s的時滯可能導(dǎo)致收益的巨大變化。目前全球證券市場每天成交額在4000億美元以上，平均每秒就有超過1800萬美元的資金換了主人。這種實時性要求高、計算量巨大的計算工作，除了超級計算機以外，沒有其他合適人選。Top500榜單上位于中國的超級計算機有一些也在從事資金管理方面的工作，社保機構(gòu)、保險公司、大型銀行等機構(gòu)都在使用超級計算機。

航空公司也很早就開始采用計算機來幫助提升效率。1953年，美國航空公司和IBM合作開發(fā)了一套機票預(yù)訂系統(tǒng)，到了今天，幾乎所有的旅游代理商都可以訪問由這套預(yù)訂系統(tǒng)發(fā)展而來的全球預(yù)訂系統(tǒng)，幫助旅行者安排旅程。現(xiàn)在地球上平均每天有8萬次飛機起降，每天有900萬人在1萬m的高空飛行。全球預(yù)訂系統(tǒng)同樣使用超級計算機來管理它龐大的數(shù)據(jù)庫，晝夜不間斷地處理全球各地的各種旅行預(yù)訂交易。

在天氣預(yù)報領(lǐng)域，超級計算機也有用武之地。當(dāng)前的中短期天氣預(yù)報主要依靠動力學(xué)預(yù)報方法，這種方法利用計算機求解描述大氣運動的動力學(xué)方程組來預(yù)測未來的天氣。我們知道，大氣運動遵循一定的物理法則，而這些法則可以由一組微分方程來表示。人們可以對這些微分方程求近似解，從而得到大氣有某種初始狀態(tài)開始的所有可能的后續(xù)變化。但是這種計算要求幾個條件初始狀態(tài)必須準(zhǔn)確，天氣預(yù)報模型要符合實際情況，以及具備迅速完成大量運算的能力。最后一個條件，就要超級計算機幫助滿足了。

除了以上的幾個簡單例子之外，超級計算機在軍工、國防、醫(yī)藥和工業(yè)方面也都有廣泛應(yīng)用。我們用超級計算機給人類基因重新篩選排序，繪制出人類基因30億個堿基對的圖譜，從而從分子級別上了解人類自身；我們用超級計算機幫助設(shè)計飛機和汽車，讓它們具備更好的性能；我們用超級計算機分析地層構(gòu)造，從而探明地下的礦藏；我們用超級計算機處理電信業(yè)務(wù)，把全球的人們緊密連接在一起。超級計算機已經(jīng)成為了我們生活不可分割的一部分。超級計算機是如何工作的

要提高運算速度，無非是兩條路。一是提高單個處理器的運算速度：二是讓多個處理器協(xié)同并行工作——我們現(xiàn)在的“雙核”、“四核”CPU使用的就是這種策略。

超級計算機在數(shù)十年的發(fā)展中，走過了向量機、并行處理機兩個階段，現(xiàn)在廣泛采用的是集群架構(gòu)。我們可以把集群看成是由高速網(wǎng)線連接起來的一個小型高速計算機網(wǎng)絡(luò)，實際上采用的是以數(shù)量取勝的戰(zhàn)略：把工作分配給更多的CPU來完成，從而提高效率。例如，“走鵑”采用了6500個AMD“皓龍”雙核CPU來管理文件和處理輸入輸出，使用了12萬個Power XCell8i芯片來進行密集型的科學(xué)計算——后者以前是被設(shè)計使用在索尼的游戲主機PlayStation3上的。整個“走鵑”所使用的所有元件都可以在市場上買到。

但是，能買到所有的元件并不意味著任何人都可以在自己家里造出一臺“走鵑”。對于超級計算機來說，軟件的重要性甚至超過硬件。只有通過合適的軟件，把計算任務(wù)以最優(yōu)的方式分配、及時監(jiān)測和替換壞掉的處理器，才可能獲得良好的性能。換句話說，超級計算機需要能夠自己管理自己，把自己調(diào)整到工作的最佳狀態(tài)。超級計算機和我們的未來生活

曾經(jīng)有人說，今天的超級計算機就是明天的家用電腦。然而，除非人們能夠找到大幅減小計算機體積和能耗的方法，或者設(shè)計出完全不同于現(xiàn)有計算機結(jié)構(gòu)的新型計算機(例如量子計算機)，否則超級計算機也只能是政府、大型企業(yè)或者研究機構(gòu)才能用得起的設(shè)備。不過，隨著超級計算機的廣泛應(yīng)用，也許我們將來可以在家使用超級計算機的運算能力。

升陽微系統(tǒng)公司的創(chuàng)始人斯科特·麥克尼利在20年前曾經(jīng)發(fā)表過的“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”的著名論斷，現(xiàn)在正在逐漸成為現(xiàn)實。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，它們正在替代那些需要安裝在個人電腦上的軟件。Google、微軟、Adobe等軟件業(yè)巨頭也正在向這方面努力，試圖讓用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)來使用那些過去只能安裝在個人電腦上的軟件。也許在不久的將來，我們就可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用那些超級計算機的運算能力，來完成那些在我們的個人電腦上不能完成的計算任務(wù)；也許再過幾年，我們就可以使用簡單的客戶端——可能簡單到只有輸入和輸出設(shè)備就夠了——來調(diào)動不知身在何處的超級計算機幫助我們工作。人們孜孜以求的目標(biāo)終將實現(xiàn)，人們可以在任何地方使用任何設(shè)備來完成任何工作，無論是想發(fā)送電子郵件還是視頻點播，無論是查看一幅地圖還是編寫一段程序。人們和計算機之間的關(guān)系將會越來越緊密，計算能力會像自來水或者電力一樣司空見慣。

無論如何，超級計算機是我們這個時代最偉大的發(fā)明之一，它正在帶領(lǐng)人類在以過去無法想象的速度向前飛馳，勁頭十足。無法抵擋。