“大國重器”—一超級計算機

作者簡介：孟祥飛，超級計算機數(shù)字世界的“建筑師”，負(fù)責(zé)我國重大自主創(chuàng)新成果“天河”系列超級計算機應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)與開拓。他和科研團隊通過創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的“超算模式”，提升了超級計算機在產(chǎn)業(yè)、科研、學(xué)術(shù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力，使“天河”超級計算機成為名副其實的“國之重器”。

超級計算機到底有多快

人最快的運算速度約為每秒5次加法運算。1946年，世界上第一臺通用計算機誕生，它每秒能進(jìn)行5000次加法運算?，F(xiàn)在，我們?nèi)耸忠慌_的智能手機其實也是一臺小小的計算機，它的計算速度已經(jīng)達(dá)到每秒幾十億次。而新一代的E級超級計算機系統(tǒng)的計算能力將達(dá)到每秒百億億次，其工作一小時的計算量相當(dāng)于全世界70多億人一塊兒計算上萬年。

想不想見識一下神奇的超級計算機呢？

如果把普通計算機的運算速度比作我們走路的速度，那么超級計算機的運算速度就達(dá)到了火箭的速度。它為什么會這么快？原來，一臺超級計算機里面有幾十萬甚至上百萬個計算處理核心，通過高速網(wǎng)絡(luò)把一個個計算處理核心組成一個整體，讓這些計算處理核心并行計算，從而讓它發(fā)揮“超級”計算的性能。

“天河”系列超級計算機的速度經(jīng)歷了怎樣的變化呢？

天河一號是十多年前的一臺超級計算機，當(dāng)時它是世界上最快的超級計算機，具備千萬億次的計算能力，這意味著它的計算速度達(dá)每秒1015次。天河一號工作一小時，相當(dāng)于全中國13億多人300多年的計算量。經(jīng)過10多年的發(fā)展，我們正在邁向一個新的超級計算速度的時代，叫E級計算時代。在E級計算時代，一臺超級計算機的計算能力能達(dá)到每秒計算1018次，比天河一號跨越了兩個數(shù)量級以上的計算能力。這種新的計算能力給我們帶來更加強大的科技研發(fā)能力，它工作一小時就相當(dāng)于全世界70多億人上萬年的計算量。

超級計算機能算天、算地和算人

超級計算機是國之重器，是世界各國競相角逐的科技制高點。雖然我國的超級計算機曾在速度上多次蟬聯(lián)世界第一，但是看一個國家“超算”的性能與技術(shù)水平，不能僅看它的速度，更多的應(yīng)體現(xiàn)在實際應(yīng)用上。

那么，超級計算機主要運用在哪些方面呢？

超級計算機的應(yīng)用，簡單概括為“算天、算地、算人”，還有服務(wù)大科學(xué)、大裝置等的創(chuàng)新。

算天，例如天氣預(yù)報，用我國自主研制的超級計算機，給老百姓提供了高質(zhì)量的天氣預(yù)報，大家的反映是天氣預(yù)報越來越準(zhǔn)了?，F(xiàn)在還能提供中長期天氣預(yù)報，每天計算出來的結(jié)果可以支持一周以上長效的預(yù)報。這使我們能夠更有效地應(yīng)對一些自然災(zāi)害的發(fā)生。此外，還能預(yù)報一些突發(fā)的天氣現(xiàn)象，像臺風(fēng)、暴雨、冰凍等極端災(zāi)害天氣。我們結(jié)合新的數(shù)據(jù)，能夠在最短的時間內(nèi)，借助超級計算能力，預(yù)報出未來天氣的運行軌跡，為國家的防災(zāi)減災(zāi)，為老百姓的生活提供幫助。

算地，也跟老百姓的生活相關(guān)。主要包括地震預(yù)測、礦產(chǎn)勘探開發(fā)、油氣能源勘探開發(fā)等。借助超級計算機分析野外采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于用超級計算機反演，給地下環(huán)境成像，就好比給地球做CT（電子計算斷層掃描）。這樣一來，就可以更精確地找到油氣資源的分布，提高開采效率。我們做飯用的天然氣、開車用的汽油等，這些與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的東西，都有著超級計算機的貢獻(xiàn)。

算人，就跟人更密切了。首先，運用于基因大數(shù)據(jù)的解讀。通過超級計算機對獲取的現(xiàn)代基因大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以幫助人們精確地預(yù)測一些重大疾病的發(fā)生，包括像唐氏綜合征等一些先天性缺陷病癥、乳腺癌等癌癥，最大限度地發(fā)現(xiàn)疾病隱患，從而讓醫(yī)學(xué)治療進(jìn)行早期干預(yù)。同時，通過超級計算機對基因數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)進(jìn)行模擬分析，可以開發(fā)出更精準(zhǔn)的治療藥物，例如靶向藥物的研發(fā)。

超級計算機與港珠澳大橋

“天河”系列超級計算機平臺，支撐了2000多個科研團隊、幾十個重大領(lǐng)域的應(yīng)用。超級計算機有著巨大的體形，一旦運行起來從不休息。它可以讓許多事情更高效，如電影特效、飛機設(shè)計、汽車生產(chǎn)等。它還曾為聞名世界的港珠澳大橋服務(wù)，具體是怎樣發(fā)揮作用的呢？

港珠澳大橋有一個重要的施工環(huán)節(jié)——沉管隧道施工。大橋的隧道由33節(jié)沉管連接而成，每節(jié)沉管的內(nèi)部由超過40萬根近1萬噸的鋼筋和7萬噸混凝土組成，這些沉管需要一一沉人海底后實現(xiàn)無縫對接。沉管的施工需要模擬洋流對沉管的影響，包括裝配的誤差、海底泥沙的淤積等對沉管帶來的影響。我們不能先進(jìn)行沉管施工，再去解決這些實際問題，那樣工程量太大了。所以，通過超級計算機先進(jìn)行模擬，模擬整個海底地形環(huán)境及洋流運行過程，觀察洋流對沉管施工帶來的影響，預(yù)測今后海底泥沙的淤積對港珠澳大橋海底部分會帶來多大的影響。

超級計算機與人工智能

如今，人工智能的應(yīng)用越來越廣，有人臉識別、刷臉支付、智能語音翻譯、無人駕駛、無人超市等。超級計算機是否可以幫助更好地實現(xiàn)人工智能呢？

人工智能由人臉識別、模式識別、數(shù)據(jù)決策、自動化控制等技術(shù)支撐，這些技術(shù)形成的一個最重要的階段，就是要形成訓(xùn)練模型，相當(dāng)于人臉識別的后臺軟件。它要經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練分析，然后逐步形成一個深度學(xué)習(xí)的框架，即形成一個軟件。再把它部署到前端，就可以去進(jìn)行人臉識別、語音識別等。這個訓(xùn)練過程需要大規(guī)模計算，而新一代的超級計算機可以逐步支撐人工智能的訓(xùn)練和“大規(guī)模場景”的打造。

在超級計算機的幫助下，人工智能會更高效地幫助人類完成工作，也會代替更多的工作崗位和職業(yè)。未來人工智能會不會替代人類呢？

汽車比人跑得快，飛機能飛，潛艇會潛航，是因為我們掌握了氣動力學(xué)和水動力學(xué)的物理性規(guī)律。人工智能其實跟人類智能是完全不同的兩個概念，現(xiàn)在的人工智能發(fā)展，是以基于計算機帶來的數(shù)字化和計算機形成的超級計算的能力，然后逐漸誕生機器智能的一個過程，它替代不了人的智能。但是我們應(yīng)該相信的是，人工智能會帶來越來越強大的科技能力。

超級計算機助力我們更美好地生活，相信在不久的將來，超級計算機的潛力將進(jìn)一步釋放，算天、算地再算人，未來一切皆可算，而這一切都需要我們?nèi)祟惖闹腔蹃碇巍?/p>

我們每一個人都是有7000億萬顆原子的小宇宙，我國正在開啟強國建設(shè)的新征程，我們要激發(fā)我們的小宇宙，讓我們成為新征程道路上奮發(fā)有為的強國一代。我也期待對于“超算”的未來，同學(xué)們都能貢獻(xiàn)各自的智慧！

延伸閱讀：

在2021年底最新公布的全球超級計算機500強榜單中，日本的超級計算機“富岳”在運算速度等4項性能排名上位居世界第一，美國的超級計算機“頂點”和“山脊”分列二三位，我國的超級計算機“神威·太湖之光”位居第四。榜單與往年相比沒有太大變化，而萬眾期待的E級超級計算機仍然沒有出現(xiàn)。

據(jù)報道，我國在E級超級計算機領(lǐng)域布局已久。目前已有“神威”E級原型機、 “天河”E級原型機和“曙光”E級原型機三個不同技術(shù)路線的原型機系統(tǒng)完成交付。

與此同時，量子計算成為全球最前沿的科學(xué)技術(shù)，有望給未來社會帶來顛覆性的改變。因此，許多國家都在研究這一先進(jìn)技術(shù)，希望能贏得未來發(fā)展的先機。令人欣慰的是，我國在量子計算領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界的前列，在超導(dǎo)量子與光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面實現(xiàn)了關(guān)鍵突破。我國最新研制的光量子計算原型機——“九章二號”已成功問世，計算能力又一次實現(xiàn)了顯著突破。據(jù)介紹，與當(dāng)前最快的超級計算機相比，在處理特定問題的速度上，“九章二號”快了1024倍，也就是億億億倍。而66比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”也揭開了神秘的面紗。在“量子隨機線路取樣”快速求解上，“祖沖之二號”的求解速度是當(dāng)前最快超級計算機的一千萬倍。這無疑是我國超導(dǎo)量子計算機里程碑式的突破。