超級計(jì)算機(jī)之爭

王　維

超級計(jì)算機(jī)通常是指由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器組成的、能計(jì)算大型復(fù)雜課題的計(jì)算機(jī)。超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度非?？?，如果把普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比做成人的走路速度，那么超級計(jì)算機(jī)就達(dá)到了火箭的速度。世界頂尖超級計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度相當(dāng)于在幾秒鐘內(nèi)把整個(gè)美國國會圖書館的資料全部輸入計(jì)算機(jī)。

超級計(jì)算機(jī)多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志，對國家安全、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。沒有強(qiáng)大計(jì)算能力的超級計(jì)算機(jī)，宇宙飛船就不能上天，國家安全就做不到萬無一失，基因研究就無法繼續(xù)，復(fù)雜的氣象、勘探工作就難以精確。

經(jīng)過我國科技工作者幾十年不懈地努力，我國的高性能計(jì)算機(jī)研制水平顯著提高，成為繼美國、日本之后的第三大高性能計(jì)算機(jī)研制生產(chǎn)國。

運(yùn)算速度之爭

世界超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)行業(yè)最重要的評比標(biāo)準(zhǔn)之一，也是研究機(jī)構(gòu)科研實(shí)力的象征之一。在2008年下半年的排名中，美國在500強(qiáng)系統(tǒng)中擁有291臺高性能計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)居榜首，歐洲從184臺系統(tǒng)下滑至151臺系統(tǒng)，亞洲占了47臺，其中日本18臺，中國16臺。

一年前，德國尤利希研究中心的超級計(jì)算機(jī)“尤金”還是世界上最快的民用超級計(jì)算機(jī)，但如今，它已經(jīng)跌出了前10名。超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域可謂競爭激烈。人們往往翹首以盼每半年公布一次的超級計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)排行榜。

尤利希研究中心的丹尼爾·馬爾曼在前10名中沒有找到他們的計(jì)算機(jī)“尤金”。在2008年上半年的排名中，“尤金”在該名單上還位居第二。當(dāng)時(shí)比它快的只有美國的一臺軍用超級計(jì)算機(jī)。在不到一年的時(shí)間里。就有9臺超級計(jì)算機(jī)超過了“尤金”，如“美洲豹”“巡邏兵”“昂宿星”等。全球計(jì)算最快的計(jì)算機(jī)“走鵑”是美國軍用計(jì)算機(jī)。

在2008年下半年的排名中，美國的軍用計(jì)算機(jī)“走鵑”成為全球計(jì)算最快的計(jì)算機(jī)。這臺超級計(jì)算機(jī)將被用來處理核武數(shù)據(jù)的軍事機(jī)密，其中包括模擬核子爆炸的瞬間，來幫助軍方確保年久的核武器能夠繼續(xù)正常運(yùn)作。在投入軍事用途之前，也將先用于對一些復(fù)雜問題包括氣候變化，進(jìn)行計(jì)算，更高的運(yùn)算速度讓氣候?qū)W家可以建立更精確的氣候模型。

美國能源部國家核能安全管理局長達(dá)哥斯提諾說，“走鵑”一天能處理的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于全球60億人用計(jì)算機(jī)每天24小時(shí)、每周7天不眠不體地算，要算46年才算得完。

專家指，這臺每秒浮點(diǎn)運(yùn)算能力突破千兆次的超級計(jì)算機(jī)，被視為軍事、技術(shù)和科學(xué)用途上的重要里程碑。前一代計(jì)算機(jī)需要好幾個(gè)月運(yùn)算的數(shù)據(jù)，如今可縮短到幾小時(shí)，甚至過去看來無法實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)，如今也可望為科學(xué)和工程帶來根本性的改變，超級計(jì)算機(jī)同時(shí)被視為經(jīng)濟(jì)國力的象征。

超級計(jì)算機(jī)的“超級”二字，不僅是指它的運(yùn)算速度。一般超級計(jì)算機(jī)的體積和重量也夠“超級”，而且還“超級”耗電和“超級”發(fā)熱?！白啭N”占地480平方米，一共使用了278個(gè)冰箱大小的機(jī)柜，重達(dá)220噸，當(dāng)它要搬家時(shí)，要?jiǎng)佑?0臺拖車。它的耗電量達(dá)到了2.35兆瓦，發(fā)熱量足可以維持一個(gè)室外溫水游泳池。

與生活不可分割

超級計(jì)算機(jī)到底有何用呢?尤利希研究中心的馬爾曼說一“超級計(jì)算機(jī)對學(xué)術(shù)研究的意義是，人們可以模擬過去不可模擬、只能通過極其復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證的許多現(xiàn)象。我們就利用‘尤金進(jìn)行多方面的研究。其中之一是血漿項(xiàng)目。通過模擬優(yōu)化血泵，縮小其規(guī)格，減輕患者的負(fù)擔(dān)?！?/p>

如今，除了研究理論、做實(shí)驗(yàn)之外，模擬運(yùn)算已發(fā)展成為科研的第三大領(lǐng)域，而且不光是在學(xué)術(shù)界，在我們的日常生活中，超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到方方面面。當(dāng)我們把錢存在銀行的時(shí)候，超級計(jì)算機(jī)在幫我們管理著資金：當(dāng)我們出門旅行的時(shí)候，超級計(jì)算機(jī)幫我們訂機(jī)票；當(dāng)我們想知道明天是晴是雨時(shí)，超級計(jì)算機(jī)為我們提供天氣預(yù)報(bào)：甚至當(dāng)我們玩游戲時(shí)，超級計(jì)算機(jī)也在繁忙地工作著，讓游戲體驗(yàn)更加流暢。我們乘坐的飛機(jī)、我們使用的電力和石油，乃至于我們點(diǎn)一下鼠標(biāo)打開一個(gè)網(wǎng)頁的時(shí)候，都離不開超級計(jì)算機(jī)的支持。

目前，有多臺超級計(jì)算機(jī)用于金融方面。我們知道，證券市場瞬息萬變，0.01秒的時(shí)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(shí)時(shí)性要求高、計(jì)算量巨大的計(jì)算工作，除了超級計(jì)算機(jī)以外，沒有其他合適人選。現(xiàn)在，社保機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)公司、大型銀行等機(jī)構(gòu)都在使用超級計(jì)算機(jī)。

航空公司很早就開始利用計(jì)算機(jī)，開發(fā)機(jī)票預(yù)訂系統(tǒng)。今天，幾乎所有的旅游代理商都可以訪問全球預(yù)訂系統(tǒng)，幫助旅行者安排旅程?，F(xiàn)在地球上平均每天有8萬次飛機(jī)起降，每天有900萬人在1萬米的高空飛翔。全球預(yù)訂系統(tǒng)使用超級計(jì)算機(jī)管理著龐大的數(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。

每天的天氣預(yù)報(bào)令人驚訝，2天、3天，甚至一周內(nèi)的天氣都在我們掌控之中。其實(shí)，這也是超級計(jì)算機(jī)在幫我們預(yù)測。當(dāng)前的中短期天氣預(yù)報(bào)，主要依靠計(jì)算機(jī)求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組，來預(yù)測未來的天氣。我們知道，大氣運(yùn)動(dòng)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?，F(xiàn)在中國氣象局用于天氣預(yù)報(bào)的超級計(jì)算機(jī)曾經(jīng)在2005年11月的排名榜單上名列26位。在北京奧運(yùn)會中，北京氣象局也利用超級計(jì)算機(jī)來為北京及周邊地區(qū)提供精確到小時(shí)的天氣預(yù)報(bào)。

在2005年6月的超級計(jì)算機(jī)排名中，排名150位到153位的四臺超級計(jì)算機(jī)都在中國，分別安置在北京、上海、廣州和臺北。這幾臺計(jì)算機(jī)都是為了支持網(wǎng)絡(luò)游戲《魔獸世界》的運(yùn)行而安裝的，它們同時(shí)與40萬名以上的在線玩家連接，每一次攻擊、每一次隊(duì)友的協(xié)助、每一個(gè)絢爛的魔法……都被轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)流，經(jīng)過超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理后，再傳遞給玩家的電腦，確保同一個(gè)服務(wù)器上的每一個(gè)玩家眼中看到的都是同一個(gè)世界。超級計(jì)算機(jī)讓越來越多的人在虛幻世界中沉迷，不能自拔。

除了以上的幾個(gè)例子之外，超級計(jì)算機(jī)在軍工、國防、醫(yī)藥、工業(yè)方面也都有廣泛應(yīng)用。我們用超級計(jì)算機(jī)給人類基因重新篩選排序，繪制出人類基因30億個(gè)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(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)更安全節(jié)能的飛機(jī)和汽車；我們用超級計(jì)算機(jī)分析地層構(gòu)造，探明地下礦藏；我們用超級計(jì)算機(jī)處理電信業(yè)務(wù)，把全球的人們緊密連接在一起；我們利用超級計(jì)算機(jī)分離出

可能引起帕金森氏癥、瘋牛病等疾病的突變蛋白質(zhì)，開發(fā)治療藥物；我們甚至可以用它來設(shè)計(jì)新型薯片生產(chǎn)線

超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了我們生活不可分割的一部分。

自己管理自己

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有一個(gè)著名的摩爾定律，認(rèn)為計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力會每18個(gè)月翻1番。按照這個(gè)理論，15年后計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將會是現(xiàn)在的1000倍。但是在超級計(jì)算機(jī)身上，這一理論卻顯得過于保守了。2008年6月排名第一的超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力是1993年排名第一的計(jì)算機(jī)的1.7萬倍，排名第500的超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力提升了2.1萬倍。而500臺超級計(jì)算機(jī)的總運(yùn)算能力提升了1萬倍。

超級計(jì)算機(jī)的預(yù)算速度越來越快，不僅僅是因?yàn)槿藗冊谔嵘龁蝹€(gè)CPU(中央處理器)的運(yùn)算能力，還在于人們在計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和軟件上的改進(jìn)：越來越多的CPU協(xié)同工作，數(shù)據(jù)傳輸越來越快，負(fù)載管理越來越有效等。在暢銷小說作家丹·布朗的作品《數(shù)字城堡》中，虛構(gòu)過一臺叫做“萬能解密機(jī)”的超級計(jì)算機(jī)。“300萬臺郵票般大小的中央處理機(jī)的最后一臺被手工焊接停當(dāng)，最后一道編制程序宣告結(jié)束，陶瓷外殼鍛封完畢……這比20年前國安局最快的電腦要快上10萬倍!”不過，目前世界上最快的計(jì)算機(jī)“走鵑”，也只有大約12萬個(gè)處理內(nèi)核。

超級計(jì)算機(jī)在數(shù)十年的發(fā)展中，走過了向量機(jī)、并行處理機(jī)兩個(gè)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(gè)小型高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上采用的是以數(shù)量取勝的戰(zhàn)略：把工作分配給越來越多的CPU來完成，從而提高效率。例如，“走鵑”采用了6500個(gè)AMD“皓龍”雙核CPU來管理文件和處理輸入輸出，使用了12萬個(gè)PowerXCell 8i芯片來進(jìn)行密集型的科學(xué)計(jì)算。整個(gè)“走鵑”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，并不意味著我們就可以在家里造出一臺“走鵑”。對于超級計(jì)算機(jī)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(jì)算任務(wù)以最優(yōu)的方式分配、及時(shí)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(jì)算機(jī)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)。

有人說，今天的超級計(jì)算機(jī)就是明天的家用電腦。然而，除非人們能夠找到大幅減小計(jì)算機(jī)體積和能耗的方法，或者設(shè)計(jì)出完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的新型計(jì)算機(jī)，比如量子計(jì)算機(jī)，否則超級計(jì)算機(jī)也只能是政府、大型企業(yè)或者研究機(jī)構(gòu)才能用得起的設(shè)備。不過，無論如何，超級計(jì)算機(jī)是我們這個(gè)時(shí)代最偉大的發(fā)明之一，它正在帶領(lǐng)人類以無法想象的速度向前飛馳，無法抵擋。