把超級(jí)計(jì)算機(jī)帶回家

張　欣

10¹⁸

未來10年間，每秒鐘可運(yùn)算100億億次(10的18次方)的超級(jí)計(jì)算機(jī)就將出現(xiàn)。

這是什么概念?中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所總工程師徐志偉解釋說，把超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展史稍作梳理，或許更能明白這個(gè)數(shù)字意味著什么。

1987年，第一臺(tái)大規(guī)模并行處理超級(jí)計(jì)算機(jī)CM-1公布，標(biāo)志著超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了“十億次時(shí)代”；

當(dāng)時(shí)的《時(shí)代》雜志打了這樣一個(gè)比喻：“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之于CM—1，就像自行車之于噴氣式超音速飛機(jī)。”

1996年，美國英特爾公司為美國能源部開發(fā)出當(dāng)時(shí)世界上速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒可運(yùn)算14萬億次。筆算需要25萬年、個(gè)人計(jì)算機(jī)需要運(yùn)行2天才能完成的運(yùn)算，這臺(tái)首次突破每秒萬億次大關(guān)的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以在15秒內(nèi)解決。

2008年11月，落戶在美國墨西哥州的IBM的“走鵑”成為世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒運(yùn)算速度高達(dá)1026萬億次。美國能源部下屬國家核安全管理局局長托馬斯曾打比方說，“走鵑”一天的計(jì)算量，相當(dāng)于地球上60億人每天24小時(shí)不間斷用計(jì)算器算46年。

但“走鵑”的“老大”地位很快被撼動(dòng)。

2009年2月4日，IBM宣布已研制出一部更快速的超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算能力相當(dāng)于200萬部手提電腦，每秒可進(jìn)行2萬萬億次運(yùn)算。IBM估計(jì)，這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)每小時(shí)可執(zhí)行的計(jì)算量，需要地球上67億人每人手拿計(jì)算器不間斷計(jì)算320年才能完成。

這個(gè)紅杉系統(tǒng)，將于2011年交付美國能源部，進(jìn)行復(fù)雜的核武器研究仿真試驗(yàn)。

從1987年到1996年，十億次到萬億次，1996年到2008年，萬億次到千萬億次——計(jì)算速度以每十年1000倍加速，那么再過10年到2019年，每秒鐘進(jìn)行100億億次計(jì)算似乎是順理成章。

中國10-s的超級(jí)計(jì)算機(jī)誕生，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。

打破“摩爾定律”

“10¹⁸俱樂部”中，中國不甘落后。

《中國至2050年科技發(fā)展路線圖》將“艾級(jí)(10¹⁸)超級(jí)計(jì)算技術(shù)”作為影響中國國際競爭力的6個(gè)戰(zhàn)略性科技問題之一。

徐志偉告訴本刊記者，中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制工作，始于1979年。

1984年建國35周年，中國自行研制的首臺(tái)億次巨型計(jì)算機(jī)“銀河-I”出現(xiàn)在國慶閱兵科技方陣中，和“一箭三星”、通信衛(wèi)星一起，向世界展示中國在高新技術(shù)領(lǐng)域的成果。中國成為繼美日之后第三個(gè)躋身“億次巨型機(jī)俱樂部”的國家。

2000年，運(yùn)算速度比“銀河-I”提升3000倍的“神威-I”誕生。這是我國首臺(tái)千億次巨型機(jī)，位居當(dāng)時(shí)國際最快計(jì)算機(jī)排行榜第48位。

此后，我國自主研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的全球排名迅速提升，2004年和2008年兩度進(jìn)入前十，而創(chuàng)造這一紀(jì)錄的分別是曙光4000A和“魔方”。

“魔方”也叫曙光5000，是目前國內(nèi)運(yùn)算速度最快的百萬億次高性能計(jì)算機(jī)。它一天完成的工作量，相當(dāng)于全國所有人每天24小時(shí)手持計(jì)算機(jī)不停地計(jì)算46年。

按照IT行業(yè)內(nèi)“鐵律”摩爾定律的說法：計(jì)算機(jī)處理器的性能大約每隔兩年實(shí)現(xiàn)翻番。而超級(jí)計(jì)算機(jī)新陳代謝的速度快過摩爾定律，它們的計(jì)算性能只需十三四個(gè)月就提升一倍。

“自1970年至今的30年間，我國超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能提升達(dá)200萬倍，更是大幅領(lǐng)先于摩爾定律?！毙熘緜フf，到2010年底前，中國首臺(tái)使用自主芯片的千萬億次高性能計(jì)算機(jī)“曙光6000”將呼之欲出。

“向‘紅杉系統(tǒng)看齊，追趕10¹⁸，中國正在加速進(jìn)展?！?/p>

老百姓也來玩轉(zhuǎn)“魔方”

CM-1誕生時(shí)，就有人預(yù)測：這些很快就能以光速進(jìn)行計(jì)算的神奇機(jī)器，除了不能像超人那樣縱身躍過高聳入云的摩天大樓外，幾乎能模擬一切不可思議的事情，比如兩個(gè)星球或兩個(gè)原子之間的碰撞。

“事實(shí)的確如此?！毙熘緜ジ嬖V本刊記者，超級(jí)計(jì)算機(jī)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要涉及核武器、導(dǎo)彈和空間技術(shù)。超級(jí)計(jì)算機(jī)可以用來模擬核武器和導(dǎo)彈的爆炸，減少實(shí)地爆炸實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，大大節(jié)省成本和加快研發(fā)速度。

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)成本的降低，在涉及國防建設(shè)和國家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、重大工程和基礎(chǔ)科學(xué)研究的眾多的領(lǐng)域，計(jì)算模擬已逐漸替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的主要手段，能極大的縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，如汽車碰撞過程的仿真模擬、大型隧道工程的抗震安全評(píng)估等。

根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會(huì)的測算，通過采用大規(guī)模高性能計(jì)算技術(shù)，波音公司將777飛機(jī)的研制周期從8年縮短到5年，工程返工量減少了50％；日本豐田汽車公司在研制2002年嘉美新車型時(shí)縮短了研發(fā)周期10個(gè)月，減少了試驗(yàn)樣車數(shù)量65％。

超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還逐漸擴(kuò)展到大范圍氣象預(yù)報(bào)、石油地質(zhì)勘探和新藥研制等領(lǐng)域，甚至還有一些“平民化應(yīng)用”。

曙光超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、網(wǎng)游、教育、金融等20多個(gè)行業(yè)使用。

擁有167萬億次浮點(diǎn)處理能力的IBM全球網(wǎng)格大同盟(World Community Grid)正利用近100萬臺(tái)個(gè)人PC“貢獻(xiàn)”出的空閑處理能力，進(jìn)行“為世界提供高營養(yǎng)稻米”的項(xiàng)目，原來需要200年才能完成的對(duì)3萬到6萬種不同的稻米蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的研究，可以縮短到2年以內(nèi)，這一項(xiàng)目最終可能幫助世界各地的農(nóng)民種植更好的作物，并使人類部分解決饑荒問題。

聯(lián)想“深騰6800”超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以清晰地描繪出SARS病毒在幾納秒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。未來它將成為基因與蛋白分析和SARS病毒分析領(lǐng)域的重要工具。

2004年，寶沽旗下的薯片品牌“Pringles(品客)”，為了尋找防止薯片從裝配線上滑落的方法，曾動(dòng)用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

游戲網(wǎng)站“第九城市”利用超級(jí)計(jì)算機(jī)來運(yùn)作它的一款熱門游戲“魔獸世界”。2008年4月，這款游戲的同時(shí)在線人數(shù)突破了1130萬。

英國威廉姆斯車隊(duì)曾購買了一臺(tái)8萬億次的聯(lián)想“深騰1800”超級(jí)計(jì)算機(jī)用于其賽車的研制。

還有一些企業(yè)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)從事汽車外形設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)、減震器、變速箱等重要組件的開發(fā)和試驗(yàn)。

“未來就連嬰兒‘噓噓，沒準(zhǔn)也能和超級(jí)計(jì)算機(jī)扯上干系——要想寶寶舒服、媽媽安心，開發(fā)尿不濕時(shí)就有必要多考慮些流體力學(xué)問題，而借助超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬仿真‘噓噓和尿片的關(guān)系，對(duì)企業(yè)來說是一條新產(chǎn)品開發(fā)的捷徑。”

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳國良預(yù)測：“隨著成本的降低和技術(shù)進(jìn)步，個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)將有望將成本控制在1萬元以下，成為一種進(jìn)入家庭、普及型的高性能計(jì)算機(jī)?！?/p>

每秒運(yùn)算1萬次以上的個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)將“飛人尋常百姓家”?

徐志偉預(yù)言：“用不了多久，超級(jí)計(jì)算機(jī)將不再是高高在上的計(jì)算機(jī)貴族。運(yùn)算速度高達(dá)百億次甚至更高的超級(jí)計(jì)算機(jī)老百姓都可能一手‘玩轉(zhuǎn)。”