相信大家在日常生活中都或多或少聽說過“超級計算機”這個高端名詞，很多媒體也在持續(xù)追蹤和報道我國超級計算機的研究成果。我國在超級計算機領域究竟有多厲害呢？

從2020-2022這三年公布的世界超級計算機TOP500榜單來看，日本“富岳（Fugaku）”超級計算機已實現(xiàn)三連冠，隨后的二、三名由美國超級計算機“頂點（Summit）和“山脊”（Sierra）”連續(xù)把持，我國“神威·太湖之光”超級計算機穩(wěn)居第四，我國另外一臺超級計算機“天河二號”則排名第七。而在2010年到2015年，我國的“天河一號”和“天河二號”曾實現(xiàn)世界超級計算機500強榜單“六連冠”，“神威·太湖之光”則在2016年和2017年間登頂世界超級計算機排行榜。

來源｜現(xiàn)代快報

那么，什么是超級計算機？超級計算機可以被運用到哪些領域？我國在超級計算機領域又存在哪些瓶頸和挑戰(zhàn)呢？

1. 什么是超級計算機

超級計算機（Super computer）是一種超大型電子計算機。從功能上來看，它和普通計算機沒有什么區(qū)別，都是輸入數(shù)據(jù)，然后給出計算結果。兩者的構成組件也基本相同。

但是從效率和規(guī)模上來看，超級計算機遠超普通計算機，具有超快的數(shù)據(jù)處理速度和超大的數(shù)據(jù)儲存空間。

以我國首次用國產(chǎn)芯片制造的“神威·太湖之光”為例，它總共有40960塊申威26010眾核處理器。雖然單個處理器只有一個相機SD儲存卡的大小，但卻蘊含著巨大的計算能力，該處理器峰值性能為12.54京次/秒，持續(xù)性能為9.3京次/秒（1京為1億億）。

也正是因為構成組件數(shù)量如此之多，超級計算機占地面積十分大。如“神威·太湖之光”占地面積近千平方米，由40個運算機柜和8個網(wǎng)絡機柜組成，一臺機柜則包含1024塊處理器。從外面看上去，一臺超級計算機占據(jù)的空間跟一間房子甚至一幢樓差不多。超級計算機的功耗也是千千瓦級別的。而常見的個人計算機只有幾百瓦的功耗。超級計算機的能耗相當于十萬臺個人電腦的能耗，舉一個更加直觀的例子，一臺超級計算機的能耗相當于一列以350公里時速行進的高鐵。

來源｜unsplash

超級計算機的存儲空間也十分巨大。如由170個機柜組成的我國超級計算機“天河二號”，就包含有24個存儲機柜，內(nèi)存總?cè)萘窟_1200T，存儲總?cè)萘縿t高達11PB（1PB的容量約為104萬GB）。

來源｜南方網(wǎng)

2. 超級計算機的應用

超級計算機被運用在軍用和民用領域的諸多方面。凡是需要大規(guī)模數(shù)值模擬計算和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的情形都可以利用超級計算機進行加速。超級計算機可以解決許多挑戰(zhàn)性問題，比如核試驗模擬、石油勘探、氣象預報、農(nóng)業(yè)育種、醫(yī)療服務、新藥研制、動漫渲染、材料設計、金融計算等。

來源｜央視網(wǎng)

由中國科學家領銜的宇宙中微子數(shù)值模擬國際團隊，曾在“天河二號”超級計算機系統(tǒng)上成功完成了30萬億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今137億年的漫長演化過程。

超級計算機為許多研究領域帶來了全新的研究手段。在超級計算機上進行虛擬實驗，甚至虛擬現(xiàn)實，可以用來輔助或者代替現(xiàn)實中的實驗。

在軍工領域，計算機模擬的核爆炸完全代替了核實驗。在研制飛機的時候，利用超級計算機來完成氣動與結構設計。超級計算機的強大運算量使得虛擬實驗突破了理論和實驗研究的極限，加快研究進程的同時還顯著降低了費用。超級計算機在國防和科技方面都是一個重要支點，因此，稱其為“國之重器”也不為過。

隨著科學技術的不斷進步，演進成為緊湊信息處理設備的超級計算機已融入了生產(chǎn)生活的方方面面，構建了由云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能設備相互締結的網(wǎng)絡。在經(jīng)濟和社會領域，數(shù)據(jù)挖掘可以分析人們的消費習慣，由此得到的研究成果可以提高運行效率。

廣泛存在的超級計算和與它緊密聯(lián)系的智能制造、虛擬現(xiàn)實等技術和新興產(chǎn)業(yè)將給人們提供一個“虛實難辨”的視角，為未來帶來更多的創(chuàng)造可能。

3. 超級計算機面對的挑戰(zhàn)

20世紀90年代開始，超級計算機隨著商品化通用處理器的快速發(fā)展而不斷升級。2000年以來，采用商品化通用硬件構建超級計算機的數(shù)量最高時達到超級計算機總量的90%以上。但是，這些按照“商品化硬件-軟件-應用”流程而研制的機器也遇到了新的挑戰(zhàn)。

首先，商品化通用軟硬件并不能十分有針對性地處理專業(yè)領域中計算難度比較大的問題，導致超級計算機在處理這些問題的時候沒有辦法發(fā)揮出全部的計算能力。同時，超級計算機的能量消耗不斷提升，但性能與能耗之比（能耗比）卻沒有較大的提升。此外，超級計算機運營成本居高不下，也是阻礙其得到更廣泛應用的挑戰(zhàn)之一。

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可以預見的是，世界超級計算機技術扔處于革新風暴之中，隨著我國科學家們不斷加大硬、軟件的研發(fā)，我國的超級計算機技術將持續(xù)穩(wěn)步推進，創(chuàng)造新的成果。

由科普中國重新排版編輯內(nèi)容來自：北京科學中心