超级计算机的今生后世

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2013年6月17日,最新全球超级计算机500强排行榜榜单公布,中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度,成为全球最陕的超级计算机.

这是时隔两年半后,中国再—次问鼎世界超算冠军的宝座.“天河二号”这位新晋冠军,以它远超第二名的性能表明,中国这名2001年还挤不进江湖风云榜的后起之秀,经过十多年磨剑苦练,已经让冈云变幻的超算江湖,真正进入了美、中、日、欧四强并立的时天河二为何用了外国芯?

首先咱得说说：什么是超级计算机?

其实,超级计算机的基本组成与你我手中的个人电脑相比并无太大差异,规格与性能则强大太多.以处理器CPU为例,目前的个人电脑一般是两到四核,而像“天河二号”这样的超级计算机则会集了数以万计的CPU.这就好比双人战斗小组和集团军的区别,前者灵活机动,用于完成各种个性化小任务；后者威武雄壮,用于达成各类关系重大的战略目标.“天河二号”的性能在全世界超级计算机中可以称得上是“一骑绝尘”,它把第二名远远地抛在了后面.排行榜主要编撰人之一、美国田纳西大学教授杰克·唐加拉曾于今年5月对“天河二号”进行了现场考察.他在研究报告中指出,标准测试显示,“天河二号”运算速度比排行榜上的亚军——美国的“泰坦”快了74%.

一骑绝尘的“天河二号”是中国人的骄傲,但这种骄傲里也不乏遗憾：“天河二号”的计算阵列由国际商用CPU构建,服务阵列由中国自主研制的CPU“飞腾1500”构建.国产CPU仅仅占全部CPU的1/8.

当然了,你也可以从另一个角度看成绩,比如说国产CPU已经占全部CPU的1/8.美国劳伦斯·伯克利国家实验室副主任霍斯特·西蒙就是采取的这种视角.他表示,尽管“天河二号”仍主要采用英特尔公司芯片,但中国自主研发的芯片达到4000块左右,显示出中国超级计算机对国外技术的依赖正在减弱.

为什么有了中国芯,天河二还得用外国芯?

根据“天河二号”副总指挥、新闻发言人李楠透露的信息,“天河二号”无法完全使用国产CPU,是出于软件兼容性的需要.

超级计算机有5个核心要素：体系结构、互联技术、操作系统、CPU和应用软件,这5个要素缺一不可.

前3个要素我们都解决得很好：“天河二号”独创的异构多态体系结构很可能再次引领国际潮流,自主研发的高速互联性能是国际商用产品的两倍,国产“麒麟”操作系统具有很高的安全性.

但后两个要素是短板：“飞腾1500”性能比用于“天河一号”的“飞腾1000”提高了18倍,与国际商用CPU相比,虽然已经属于同一代产品,性能尚有差距.不过,目前我国大多数大型应用软件都从国外引进,只能在国际商用CPU上运行.如果全部使用国产CPU打造超级计算机,将只能用于天气预报等我国拥有自主知识产权的应用软件行业.而“天河二号”需要面向各领域用户,只能用国际商用和国产的CPU共同构建系统.

第一名的大旗能扛多久?

风云变幻的世界超级计算机500强排行榜,鲜明地体现着“皇帝轮流做,明年到我家”的自由竞技精神.冠军的宝座常常不等捂热,就被新的竞争对手夺去.“天河二号”的哥哥“天河一号”曾于2010年夺冠,此后不足8个月,就被日本的超级计算机“京”超越.

所以人们不禁要问：对“天河二号”来说,第一名的大旗能扛多久?

大多数专家认为,因为领先第二名太多,“天河二号”的冠军称号应该至少能保持一年,没准儿还能维持到2015年.与第二名（也是前冠军）的美国“泰坦”相比,“天河二号”持续计算速度约是“泰坦”的2倍,计算密度是“泰坦”的2.5倍,能效比则差不多.

如果把时间拉长一点,我们还可以看到,近十几年来,中国超算事业进展惊人：2001年中国在Top500还榜上无名,而今天中国的超级计算机保有量已达到世界第二.

不过美国仍是超级计算机运用最为广泛的国家,因为超级计算500强中!有超过一半属于美国.日本、欧洲也实力强劲,今后的国际竞争将会非常激烈.

激烈的竞争带来了惊人的进步.过去30年,高性能计算机的性能每10年提高1000倍.如今,一台个人掌上电脑如lpad2的速度,就相当于1985年的超级计算机世界冠军Cray2.超级计算机的发展速度甚至超过了广为人知的摩尔定律.

超级计算机的下一步如何发展?科学家们盯准了百亿亿次级的目标.要达到这个目标,需要突破能耗、编程、资金三大难题.

耗电是核心问题.百亿亿次级计算机能耗惊人,“天河二号”耗电量大概是17兆瓦.在美国,如果一台机器耗电量为1兆瓦,运行一年的成本是100万美元.而“天河二号”这样的超级计算机只要开着,一年就得花掉2000万美元.

另一个挑战是编程问题.一个人修一座房子太慢,如果增加到10个人,修房子的效率也许可以快上10倍.但如果有300万人修这座房子,你要解决的就是他们会不会彼此妨碍的问题了.

超级计算机还太贵.贵的不仅仅是硬件,实际上设备内部还有很多其他东西——软件、运算法则、应用、操作系统、编译器等-一所有这些都需要钱.

事实上,这些问题非一国科学家能够解决.集中全球智慧发展高性能计算是人类长远发展的需要,这一天或许已经不会太远.

超级计算机到底能算啥?

超级计算机最强大的就是它们的超级计算能力.可是超级计算机到底能算啥?

哈勃望远镜看不到亿万年前的太空,计算机能算出来.实验无法预知未来气候,计算机能算出来.超级计算机就像能够预知未来的水晶球,气候变化、星系撞击、药物设计,这一切都可以在计算机上进行模拟.

而如果超级计算机的速度不够快,很多运算就会失去意义,比如天气预报.如果计算机很慢,要想知道明天天气怎样,得算上24个小时.那计算就失去意义了——24小时后你完全可以朝窗外看看,就知道天气怎样了.

从“天河二号”与此前的超级计算机的对比,我们也能看到超级计算机的性能进步对解决实际问题的影响.用于科研：回溯地球气候变迁史,“天河一号”可以模拟2000年前的变化,“天河二号”则可模拟到5000年前甚至更远.用于娱乐：电影《阿凡达》动画渲染制作耗时一年多完成,如果用“天河二号”,仅用1个月就可完成.用于工业：传统手段研发新车要经过上百次碰撞实验、历时两年多才能完成,而利用“天河二号”进行模拟,只需3到5次实车碰撞、两个月即可实现.

有人认为,理性和感性是不兼容的,因此,像超级计算机这样超级理性的机器,应该算不出人类的情绪变化.事实却未必如此.笔者就曾经采访过研究情感机器人的专家,通过建立语音、面部表情数据库并总结其中规律,能适时作出喜怒哀乐等不同反应的情感机器人已经被研制出来.用计算机来识别人类感情的技术有很好的商业前景,目前已用于游戏、医疗、学习、通讯、服务中心等领域.

超算是一种能力,这种能力可能用于各个方面.超级计算机能算出爱情吗?只要你能发现爱情的规律、建立数理模型、写出应用软件,它就能给你算出具体结果来.

超级计算机到底能算啥?那要看你能教它算啥.