2017年11月14日，國際TOP500組織發(fā)布的超級計算機(jī)性能榜單顯示，中國制造的新型超級計算機(jī)“神威·太湖之光” 持續(xù)占據(jù)首位。同時，它還和“天河二號”第三次攜手奪得前兩名。這次榜單的第三名是來自瑞士國家超算中心的升級版Piz Daint，美國則20年來首次無緣前三。
令國人為之興奮的成績不止于此，這次榜單中，**中國上榜超級計算機(jī)系統(tǒng)數(shù)量第一次超越了美國，并且在數(shù)量上對美國形成了壓倒性的202 比143。**要知道在6個月之前，這個數(shù)字還是美國169 vs 中國160！中國上榜超算系統(tǒng)的暴增也令美國上榜的超級計算機(jī)數(shù)量降至25年來的最低水平。
此外，中國在總體性能（aggregate performance）這一指標(biāo)上也超過了美國。目前，中國占TOP500榜單浮點計算力的35.4%，美國以29.6%位居第二。短短半年時間，中國在總體上和尖端領(lǐng)域都實現(xiàn)了對美國的壓制。超算與高鐵一樣，正在成為中國科技實力和工業(yè)能力的新名片。
圖1. 神威·太湖之光超級計算機(jī)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
下面是與這次榜單相關(guān)的一些數(shù)字。
**202****部：**在全球超級計算機(jī)TOP500榜單中，中國以202部居首，超越美國的143部。
**605****平方米：**作為連續(xù)三屆的榜單霸主，神威·太湖之光超算的占地面積達(dá)到605平方米，假如你家房子的面積是一百平方米，這臺超級計算機(jī)是其6倍左右。
**40960****塊：**整臺“神威·太湖之光”共有40960塊處理器，這種處理器就是我們自主設(shè)計生產(chǎn)的國產(chǎn)芯片——“申威26010”眾核處理器。
12.5****億億次：“神威·太湖之光”的運(yùn)算峰值能達(dá)到12.5億億次，是世界首臺峰值運(yùn)算速度超過10億億次、并行規(guī)模超千萬核的劃時代新型超級計算機(jī)。
**32****年：**這套系統(tǒng)1分鐘的計算能力，相當(dāng)于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。
**200****萬：**如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個人臺式機(jī)作參照，‘“神威·太湖之光”相當(dāng)于200多萬臺普通電腦。
**18****億元：**這臺計算機(jī)的造價約2.73億美元，約合人民幣18億元。
圖2 神威·太湖之光超級計算機(jī)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
超級計算機(jī)由于具備多個并行的高速運(yùn)算核心，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般計算機(jī)的運(yùn)行速度。由于普通人較少接觸實際應(yīng)用超算的行業(yè)或者領(lǐng)域，對超算的作用缺乏感性認(rèn)知，因此經(jīng)常會覺得超算與我們的生活有強(qiáng)烈的距離感。
實際上，**超算對日常生活的影響可能遠(yuǎn)超你的想象。**目前超算系統(tǒng)中常見的計算模型有：天氣預(yù)報模型、地球模擬器模型、飛行模擬器模型、分子蛋白質(zhì)折疊模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
看過下面的幾則超算應(yīng)用，相信你會感受到超算離我們并不遙遠(yuǎn)，反而可能早已滲透到我們生活的方方面面。
1. “竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知”——利用超算結(jié)合氣象觀測大數(shù)據(jù)，提高對天氣預(yù)測和環(huán)境事件預(yù)報的準(zhǔn)確度
只要有算法和模型，所有計算機(jī)都可以進(jìn)行天氣事件的預(yù)測，問題是能有多準(zhǔn)確。天氣預(yù)報精準(zhǔn)預(yù)測的核心困難，簡單說就是計算量太大了，影響最終結(jié)果的參數(shù)太多，太復(fù)雜，導(dǎo)致這個模型非常敏感。貌似隨機(jī)的天氣情況是由巨量的動態(tài)參數(shù)決定的：濕度、壓力、海拔、地形。唯有超算才能夠勝任規(guī)模如此龐大的計算任務(wù)。
例如，我們可以借助超級計算機(jī)實施高精度模擬實驗，并結(jié)合對實際氣象災(zāi)害進(jìn)行觀測獲得的大量數(shù)據(jù)來對天氣這個復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行高精度的解析。
在開發(fā)可以迅速預(yù)報局部地區(qū)暴雨和龍卷風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害技術(shù)的同時，超級計算機(jī)還可以推斷這些極端天氣現(xiàn)象對于人和建筑物的危害程度，甚至還可以預(yù)測數(shù)周乃至數(shù)十年范圍內(nèi)臺風(fēng)的發(fā)生情況。
圖3 超級計算機(jī)可以推斷這些極端天氣現(xiàn)象對于人和建筑物的危害程度（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
此外，通過監(jiān)測被人類活動排放到大氣中的微粒子以及溫室氣體，pm2.5等物質(zhì)含量以及分布的變化狀況，超級計算機(jī)可以協(xié)助模擬這些物質(zhì)對于天氣和環(huán)境施加的影響并對其趨勢加以預(yù)測。
例如，在歐洲，入侵物種豚草目前被限制在意大利北部和法國南部地區(qū)。不過，據(jù)計算機(jī)建模預(yù)測，到2050年，它將出現(xiàn)在包括德國、烏克蘭、羅馬尼亞和法國剩余地區(qū)在內(nèi)的歐洲東部和北部。
與全球變暖趨勢同步，不斷上升的氣溫使豚草入侵歐洲東部和北部地區(qū)的時機(jī)已經(jīng)成熟。更長的夏季意味著更多的豚草將完成其生命周期，并且產(chǎn)生成熟的種子。而大氣中額外的二氧化碳將為這種植物提供養(yǎng)分，幫助其產(chǎn)生更多的花粉，而豚草的花粉極易誘發(fā)花粉過敏及其它呼吸道疾病，不僅侵害當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，更給人類健康造成重大威脅。根據(jù)計算機(jī)模型的預(yù)測結(jié)果，豚草成為歐洲生態(tài)災(zāi)難的可能性和嚴(yán)重性已經(jīng)超過人類預(yù)期，亟待采取措施改變這種趨勢。
圖4. 豚草及其花粉的威脅（圖片來源：Inra-Dijon）
2. “飛流直下三千尺，疑是銀河落九天”——能源產(chǎn)出、轉(zhuǎn)換、儲存相關(guān)的高效計算
對于全世界來說，能源問題都是最重要的課題之一?？蒲泄ぷ髡哒谥铝τ诶贸売嬎銠C(jī)進(jìn)行與能源的制造、儲存和能源合理利用相關(guān)的模擬實驗。
例如，利用超級計算機(jī)模擬核反應(yīng)堆運(yùn)行，可以幫助研究人員更好地了解反應(yīng)堆的性能，這比以前的方法具有更高的可靠性。最終的目標(biāo)是提高功率、延長反應(yīng)堆壽命和減少廢物。
目前數(shù)字化的電站設(shè)計和建造已經(jīng)在世界各地開展。電站核心的能量產(chǎn)生裝置（水輪機(jī)、汽輪機(jī)、核反應(yīng)堆等）和部分能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)（煤炭、生物質(zhì)能燃燒、核裂變等）在理想狀態(tài)下的模擬實驗已經(jīng)可以通過計算機(jī)來完成。
美國西屋公司和先進(jìn)輕水反應(yīng)堆模擬仿真聯(lián)盟（CASL）利用CASL的虛擬環(huán)境應(yīng)用(VERA)程序?qū)ξ魑莨続P1000反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行物理模擬。VERA通過產(chǎn)生3D高保真功率密度分布來呈現(xiàn)啟動時的預(yù)期工況。通過并行使用24萬個計算單元，可以模擬1萬億個粒子來降低統(tǒng)計誤差。該項研究將有助于提高對堆芯情況的理解，以確保反應(yīng)堆的安全啟動。
圖5. 輕水反應(yīng)堆模型（來源：Kevin T Clarno）
3. “綠水青山枉自多，華佗無奈小蟲何”——通過分子尺度的復(fù)雜系統(tǒng)模擬，助力疾病機(jī)理研究和新藥開發(fā)
用理論方法分析大分子的結(jié)構(gòu)動力學(xué)，可以為生物學(xué)實驗提供對比分析。然而，當(dāng)我們試圖用物理化學(xué)原理來解答分子折疊、催化、分子間通過特異性等問題時，由于生物分子體系由成千上萬的原子構(gòu)成，它們的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)通過大量的范德華力、疏水、氫鍵等物理化學(xué)的弱作用來維系，在微觀上缺乏均一性，這使得我們很難在生物大分子的研究中應(yīng)用理論分析工具。
圖6. 計算機(jī)設(shè)計的蛋白質(zhì)和非天然折疊體（來源：BY-NC-SA）
而計算機(jī)分子模擬技術(shù)的發(fā)展，為解決這些問題提供了很好的幫助。比如核磁共振實驗數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)修正、基于同源結(jié)構(gòu)的3D建模、蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測等等。
五十年前, 蛋白質(zhì)折疊問題作為基礎(chǔ)科學(xué)的巨大挑戰(zhàn)而誕生，從那時起, 我們對它的理解大大加深了。由此引發(fā)的成果, 包括已經(jīng)建成的超過80,000個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，生物分子模擬力場，基于可折疊聚合物的材料科學(xué)的新領(lǐng)域等都得到了發(fā)展。
**超算還可以幫助我們從分子層面理解疑難疾病的致病機(jī)理。**如阿爾茨海默癥、帕金森氏癥和II型糖尿病等所謂的蛋白質(zhì)折疊疾病。
圖7 超算還可以幫助我們從分子層面理解疑難疾病的致病機(jī)理，如阿爾茨海默癥（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
在此背景之下，現(xiàn)代制藥行業(yè)也已經(jīng)廣泛采用了超級計算機(jī)作為手段，預(yù)測藥物成分與致病因子之間的結(jié)合與藥理反應(yīng)，從而大大提高篩選有效藥物成分的速度。利用超算強(qiáng)大的運(yùn)算能力，拉網(wǎng)式排查也變得簡單起來，從而有望發(fā)現(xiàn)通過改良已知化合物的方法所不能得到的、新穎度較高的候補(bǔ)化合物結(jié)構(gòu)，再設(shè)計實驗來嘗試對其進(jìn)行合成。
同時，通過對生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和新藥候補(bǔ)化合物間藥理作用的高精度模擬實驗，甚至可以事先預(yù)測其藥效和副作用，從而避免不必要的動物實驗。
**4. “**天生我材必有用，千金散盡還復(fù)來”——支撐下一代IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新功能設(shè)備以及高性能材料的開發(fā)
我們賴以生存的IT社會的發(fā)展，是由高性能材料和新功能設(shè)備的設(shè)計開發(fā)所支撐的。計算機(jī)的應(yīng)用極大地改變了設(shè)計的技術(shù)手段，改變了設(shè)計的程序與方法。與此相適應(yīng)，設(shè)計師的觀念和思維方式也有了很大的轉(zhuǎn)變。
傳統(tǒng)的材料以及設(shè)備開發(fā)耗費大量的時間以及人力物力，存在盲目性和低效性。由于計算機(jī)輔助設(shè)計的出現(xiàn)，設(shè)計的方式發(fā)生了根本性的變化。這不僅體現(xiàn)在用計算機(jī)來繪制各種設(shè)計圖，用快速的原型技術(shù)來替代油泥模型，或者用虛擬現(xiàn)實來進(jìn)行產(chǎn)品的仿真演示等。更重要的是，建立起一種并行結(jié)構(gòu)的設(shè)計系統(tǒng)，將設(shè)計、工程分析、制造三位一體優(yōu)化集成于一個系統(tǒng)，使不同專業(yè)的人員能及時相互反饋信息，從而縮短開發(fā)周期，并保證設(shè)計、制造的高質(zhì)量。
通過在模擬過程中提高器件構(gòu)造的復(fù)雜性、以及材料組成的多樣性，我們可以進(jìn)行與現(xiàn)實更接近的模擬計算，最終的目標(biāo)是在產(chǎn)業(yè)級別實現(xiàn)新設(shè)備和新材料的電腦輔助設(shè)計，同時還將通過融合實驗數(shù)據(jù)和模擬實驗，來實現(xiàn)新器件的設(shè)計與開發(fā)。
圖8. 住友橡膠利用超級計算機(jī)和大型同步輻射設(shè)施開發(fā)輪胎（來源：住友橡膠）
與美國一樣，超算領(lǐng)域曾經(jīng)的霸主——日本，也在中國的奮力追趕之下盡顯疲態(tài)。盡管這三年來中國霸占了超算TOP500冠軍七次之多，但在超級計算機(jī)技術(shù)上日本曾經(jīng)長期領(lǐng)先中國。
2011年富士通研發(fā)的K（京）超算奪得了當(dāng)年的TOP500第一，中國的天河1A只獲得了第二，而且TOP500總數(shù)上日本也一直領(lǐng)先中國。如今中國的太湖之光、天河2霸占了TOP500前兩名，日本的“京超算”排名下滑一位，到了第4的位置。對于此次最新榜單發(fā)布，日本網(wǎng)友們也發(fā)表了看法：
一直說不要做第2，現(xiàn)在第1和第2都是中國的，（我們?nèi)毡荆┳畛醯哪繕?biāo)是第1卻連第2也拿不到。
不想做第2卻排在第4了。第1和第2都是中國，現(xiàn)在雙重國籍的蓮舫應(yīng)該很開心。（譯者注：蓮舫，日本民進(jìn)黨前黨首，具有華裔背景，因此屢遭日本網(wǎng)友攻擊）
日本只作為旅游國家也可以，這是輕視教育的國人的責(zé)任。戰(zhàn)后為復(fù)興奮斗的那些人的努力都去哪了？
應(yīng)該感謝蓮舫，畢竟有任何過錯或失敗都可以把責(zé)任推到她身上。然而首先要考慮的是：日本的國力與美國、中國相比太弱了，不僅僅是超級計算機(jī)，在太空、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域也不強(qiáng)。
一篇日本普通網(wǎng)友發(fā)表于2011年的博客中這樣寫道：“【京】的性能，與中國開發(fā)的超算相比有兩倍的領(lǐng)先，這一方面也可以說是國力的差距吧。我們的國家資源匱乏，要依靠這些科學(xué)技術(shù)才能生存。從某種意義上講，也是因為留給我們的選擇實在是太少了?！?/p>
實際上，這條短評放在當(dāng)時的背景下無論如何也能稱得上是理性客觀了，從中其實也不難看出，日本人面對捉襟見肘的資源國情時內(nèi)心的壓抑和對發(fā)展先進(jìn)技術(shù)的追求與執(zhí)念。如今，重看這區(qū)區(qū)六七年之前的話語，不得不感慨中國的發(fā)展速度根本不給人適應(yīng)的時間和空間……
電子計算機(jī)的出現(xiàn)，解放了人類的大腦，讓人類從繁重而機(jī)械的運(yùn)算中解脫出來，徹底改變了人類的生活面貌。正如愛因斯坦的相對論力學(xué)在接近光速的情形下顛覆了牛頓的經(jīng)典力學(xué)，計算能力的飛躍式發(fā)展很有可能產(chǎn)生量變引起質(zhì)變的革命性科技成就。超級計算機(jī)在我們未來探索未知世界的征途中發(fā)揮怎樣的作用，我們拭目以待。
參考鏈接：
1.https://blog.kitware.com/designing-nuclear-reactor-core-geometry-and-meshes/
2.http://www.ssctech.net/newsitem/277735288
3.http://www.srigroup.co.jp/data/open/cnt/3/6433/1/2015_137.pdf
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