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　　6 月 18 日，在德國法蘭克福舉行的國際超級(jí)計(jì)算大會(huì)（ISC）上公布了***一期的超級(jí)計(jì)算機(jī)前 500 強(qiáng)榜單。

　　本次入門的超級(jí)計(jì)算機(jī)門檻非常高，***全部超過 1PFlops (每秒一千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)，這是全球超級(jí)計(jì)算機(jī) 500 強(qiáng)榜單發(fā)布 26 年以來的一次歷史性突破。

　　在這份 500 強(qiáng)的榜單中，中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)量達(dá) 219 臺(tái)，數(shù)量位居世界***，其中 173 臺(tái)來自聯(lián)想，71 臺(tái)來自浪潮，63 臺(tái)來自曙光。

　　對(duì)于普通人來說，平常鮮有機(jī)會(huì)接觸到超級(jí)計(jì)算機(jī)，因此對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)的理解也處于一知半解的狀態(tài)中。為此，騰訊科技摘取多位知乎專業(yè)答主的內(nèi)容，并稍加整理，通過一篇文章讓你徹底搞懂超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)是什么？——知乎答主張競揚(yáng)

　　CPU 是超級(jí)計(jì)算機(jī)的重要組成部分，但不是超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的全部。網(wǎng)絡(luò)上一些人將 CPU 技術(shù)等同于超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，認(rèn)為如果沒有自主的 CPU，就沒有掌握核心技術(shù)。

　　這種說法并不準(zhǔn)確。實(shí)際上，相對(duì)于聲名顯赫的 CPU，默默無聞的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是一直被大眾和媒體忽略的關(guān)鍵技術(shù)。舉例來說，曙光星云采用了自主研發(fā)的超并行處理體系結(jié)構(gòu)、神威藍(lán)光超級(jí)計(jì)算機(jī)采用了大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)、天河 1 號(hào)采用了多陣列可配置協(xié)同并行體系結(jié)構(gòu)、天河二號(hào)采用了自主創(chuàng)的新型異構(gòu)多態(tài)體系結(jié)構(gòu)。

　　體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力有多重要呢？打個(gè)比方，如果說超級(jí)計(jì)算機(jī)是一只軍隊(duì)，那么體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是軍隊(duì)的歷史傳承、光榮傳統(tǒng)、組織管理水平、軍事訓(xùn)練水平、武器裝備、后勤能力、高級(jí)將領(lǐng)的戰(zhàn)略指揮水平和中下層軍官的戰(zhàn)術(shù)指揮能力，而 CPU 則是軍隊(duì)的士兵。

　　此外，超級(jí)計(jì)算機(jī)不是簡單的 CPU 堆砌。因?yàn)槎?CPU 也是一個(gè)技術(shù)活，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不好，高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)做的不行，系統(tǒng)軟件做的不好，儲(chǔ)存列陣做的不行，即使堆再多的 CPU，超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能也上不去。簡單粗暴的堆砌 CPU 根本不可能制造出一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，更不要說是能與天河 2 號(hào)相匹敵的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　另外，哪怕掌握了正確的堆砌 CPU 的方法，也不是單憑靠堆 CPU 數(shù)量就能獲得一臺(tái)能與天河 2 號(hào)相匹敵的超級(jí)計(jì)算機(jī)。原因何在? 因?yàn)槌?jí)計(jì)算機(jī)建設(shè)不是簡單的搭積木式的堆砌 CPU——即便堆砌了海量的計(jì)算卡，但受制于其他方面，比如高速互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)水平而導(dǎo)致無法到達(dá)理論計(jì)算性能。

　　具體來說，高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)在于超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大，延遲要求嚴(yán)格，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)效率不足，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁堵，大幅降低超級(jí)計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)效率。而超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)越多，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的要求也就越高。因此，即使想通過堆砌 CPU 來提升運(yùn)算能力，也會(huì)受限制互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性能，造成這種做法并不能無節(jié)制的提升超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能——受限于諸如互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及其他方面的瓶頸，整機(jī)效率被拉低，導(dǎo)致實(shí)際性能并沒有因?yàn)槎哑隽烁嗟?CPU 而有所提高。

　　另外，堆砌過多的 CPU 還存在功耗過大、機(jī)箱體積過大等問題，非常不利于日后的運(yùn)營維護(hù)和使用，在超級(jí)計(jì)算機(jī)市場基本不具備市場競爭力。

　　在軟件系統(tǒng)方面，控制少量計(jì)算節(jié)點(diǎn)和控制大量計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)軟件系統(tǒng)的要求近乎于天差地別。軟件系統(tǒng)必須保證每個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的性能被發(fā)揮到***才能充分挖掘出硬件上的潛力。否則，就會(huì)影響超級(jí)計(jì)算機(jī)的整機(jī)效率。

　　因此，如果沒有一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)，那么 CPU 的性能將無法全部發(fā)揮出來，而且堆砌的 CPU 數(shù)量越多，整個(gè)系統(tǒng)就越復(fù)雜，對(duì)高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)列陣、監(jiān)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和軟件方面的要求也就越高，整機(jī)效率的提升也就越難。而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力水平不夠高的情況下，單純堆砌 CPU 數(shù)量，反而會(huì)降低整機(jī)效率，無法提升整機(jī)性能。

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)有哪些區(qū)別？——知乎答主小侯飛氘

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)沒有那么神秘，就是個(gè)計(jì)算工具。你輸入計(jì)算條件，它給你輸出計(jì)算結(jié)果。和買菜用的計(jì)算器是一樣一樣的，只是規(guī)模上有區(qū)別而已。

　　家用電腦一般只有一顆 CPU（GPU 同理），每顆 CPU 內(nèi)一般只有2~8 個(gè)物理核心。而一般的超級(jí)計(jì)算機(jī)有成千上萬顆 CPU，每顆 CPU 內(nèi)一般有幾十個(gè)物理核心。

　　這么多 CPU 當(dāng)然不是拿來供暖的，而是為了通過并行計(jì)算，完成繁重的計(jì)算任務(wù)的。舉個(gè)例子，在飛行器制造領(lǐng)域，經(jīng)常要計(jì)算飛機(jī)附近空氣的流動(dòng)，以及飛行器本身的受力情況。最常用的計(jì)算方法是把空氣、機(jī)體分割成一個(gè)個(gè)小塊塊，分別計(jì)算每個(gè)小塊的運(yùn)動(dòng)和受力，再整合起來得到整體的運(yùn)動(dòng)和受力情況。

　　一般來說，分割的越精細(xì)，每個(gè)小塊越小，計(jì)算越準(zhǔn)確。而魚與熊掌不可兼得，分割的越精細(xì)，計(jì)算量也越大。

　　假如要把一個(gè) 1 的立方體分成 1 的小方塊，那么就要對(duì) 10 億個(gè)小方塊進(jìn)行計(jì)算。如果用單個(gè) CPU 核心，需要連續(xù)做 10 億次運(yùn)算，算完整個(gè)過程可能要花上一天。而如果有 10 個(gè) CPU 核心，那就可以把這 10 億個(gè)方塊分成 10 份，每個(gè) CPU 核心只要計(jì)算 1 億個(gè)方塊，然后把得到的結(jié)果整合起來就行。這樣大約能快上 10 倍，兩個(gè)小時(shí)就能算完了。

　　在科研和工程領(lǐng)域，有許許多多這樣的計(jì)算任務(wù)，例如原子基本性質(zhì)的量子力學(xué)計(jì)算、藥物反應(yīng)過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬、黑洞碰撞的相對(duì)論模擬、大氣運(yùn)動(dòng)和天氣變化的預(yù)測、橋梁設(shè)計(jì)中的受力計(jì)算……這些復(fù)雜的問題，如果用單個(gè) CPU 核心計(jì)算，可能要花上幾個(gè)月甚至是幾年才能得到結(jié)果。這么長的計(jì)算時(shí)間是難以接受的，所以我們需要用多個(gè) CPU 核心進(jìn)行并行計(jì)算以提高效率，集成大量 CPU 于一身的超級(jí)計(jì)算機(jī)自然就應(yīng)需而生了。

　　超級(jí)計(jì)算機(jī)都被用來做什么？——知乎答主史中

　　舉幾個(gè)例子：

　　1、“核模擬”就需要高性能計(jì)算

　　核反應(yīng)是一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，原子裂變之后會(huì)影響到周圍的原子，周圍的原子又會(huì)影響它們周圍的原子，對(duì)于這些原子行為模擬所需要的計(jì)算數(shù)量級(jí)，就迅速變成了指數(shù)型的關(guān)系。

　　這就需要非常強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行模擬。而且，要知道這種模擬對(duì)于計(jì)算力的要求是沒有上限的。計(jì)算能力越強(qiáng)，模擬就能進(jìn)行得更精準(zhǔn)，從而能夠發(fā)現(xiàn)更深層的規(guī)律。

　　氣候預(yù)測也是高性能計(jì)算的一個(gè)巨大的應(yīng)用方向。

　　2、氣候預(yù)測同樣需要高性能計(jì)算

　　氣候預(yù)測，廣泛來看就是對(duì)全球氣流、洋流等等的預(yù)測，局限來看就是天氣預(yù)報(bào)。天氣預(yù)報(bào)的基本原理，就是通過氣象衛(wèi)星捕捉地圖上每一個(gè)點(diǎn)的云層和氣流運(yùn)動(dòng)軌跡，然后通過大量的計(jì)算推導(dǎo)出他們未來的走向。

　　要知道，即使是今天，對(duì)于天氣的預(yù)報(bào)，精度都難以達(dá)到 80% 以上。但是，你一定能感覺到，現(xiàn)在的天氣預(yù)測已經(jīng)比你小時(shí)候準(zhǔn)確得多。這就是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的高性能計(jì)算能力大幅提高了。

　　舉個(gè)例子，之前氣象計(jì)算的粒度是 1 個(gè)經(jīng)緯度，大概是 111 公里，而現(xiàn)在我們氣象計(jì)算的精度已經(jīng)細(xì)到了 3 公里，氣象科學(xué)家們已經(jīng)把精度提高到 1 公里。這樣的精度提升，對(duì)于計(jì)算力的要求可是指數(shù)級(jí)的。

　　3、視頻渲染也是高性能計(jì)算的需求“大戶”

　　你還記得《阿凡達(dá)》嗎？這部 2009 年上映的電影里，特效場景比例達(dá)到了 70%。自從阿凡達(dá)之后，特效已經(jīng)成為了電影的標(biāo)配，甚至兩個(gè)演員在綠布前就可以完成一部高質(zhì)量的太空科幻電影。支撐這些特效的，無疑就是巨大的高性能計(jì)算力。

　　4、除此之外，高性能計(jì)算還可以進(jìn)行天體物理計(jì)算、地震預(yù)測、材料科學(xué)計(jì)算、基因組測序、交通分析、人類組織系統(tǒng)研究等等等等。