科学回家
“科学精神耀光华”科普展览
第一期
日本经济新闻7月4日报道，京都大学奥野恭史教授等人组成的研究团队宣布，他们利用理化学研究所拥有世界最快运算速度的“富岳”超级计算机，发现了数十种有望成为新冠肺炎特效药的物质，这些物质有可能抑制细胞内病毒的繁殖。[1] 那么，什么是超级计算机呢？为什么它能在科研上发挥强大的作用？它与我们平常见到的计算机有何异同呢？带着疑问，我们一起来了解一下神秘的“超级计算机”。
概念与原理
超级计算机（Super computer）是由成百上千乃至更多的处理器组成的、能够执行一般个人电脑无法处理的大量资料与高速运算的巨型计算机，其主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。在过去的几十年里，超级计算机的速度呈指数级增长，现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太(Trillion,万亿)次以上。[2]
图片来源：搜狐科技-中国超级计算机扩大领先优势：TOP500总量首次超越美国
那么，超级计算机和普通计算机有什么差别吗？事实上，超级计算机的硬件组成与个人计算机组成基本相同，主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。但是超级计算机超强的数据分析处理能力、超大的存储容量、巨大的能耗是个人计算机无法比拟的。[3]
与普通的计算机相比，超级计算机由超多个计算节点组成，其中节点指单台计算机。每个节点配有CPU、GPU以及专用处理器，节点之间用高速网络互联。目前，所有TOP500的超级计算机均运行的是Linux操作系统。[4]
超级计算机硬件示意图[5]
以我国研发的“天河二号”超级计算机为例，它拥有16000个计算机节点，每个节点配备2个Intel Ivy Bridge架构Xeon处理器和3个Xeon Phi协处理器，共计3,120,000个计算核心，运行的是**科技大学开发的麒麟（Kylin Linux）操作系统。超级计算机并不是一台计算机，而是一批性能强劲的计算机组成的计算机集群，其最核心的技术是CPU等芯片，因此芯片在超级计算机的研发过程中起着举足轻重的作用。[6]
事实上，超算是一种共享服务。在超算的实际使用中，并不是将成千上万个CPU和GPU都拿过来跑一个任务，也不是某一个人独占，而是按需所取，使用一种叫做调度器的软件来分配计算资源。超级计算机上的CPU和GPU等计算资源更像是城市中的共享单车，服务方先提供好一批计算资源放置在那里，使用方如有需求，向调度器申请，如有闲置的资源则分配给需求方。超算中心提供一个共享的资源池，每个用户每次占用部分资源，多个用户在调度器的调度下按照一定的规则排队。当然，这个资源池越大，每个用户能够获得的资源就会越多，排队等待的时间也就越短，加上一些合理的编程优化，每个计算任务的耗时就会越短，以此加速科研进程。[7]
中国“智”造
21世纪以来，我国在超级计算机领域取得了举世瞩目的成就。据国家863计划“高效能计算机及应用服务环境”重大项目总体专家组组长钱德沛教授所言，“我国的‘超算’确实是走过了一条超常规发展之路。按照国际常规，20年计算速度提高100万倍，而我们在过去20年里，‘超算’运行速度提高了5000多万倍。”
中国超级计算机系谱表[8]
2008年起，“天河一号”开始研制，其一期系统（TH-1）于2009年9月研制成功，二期系统（TH-1A）于2010年8月在国家超级计算天津中心升级完成。2010年11月14日，国际TOP500组织在网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行榜，我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”(TH-1A)排名全球第一。继“天河一号”后，由**科学技术大学研制的超级计算机系统“天河二号”，于2013年6月起至2016年6月之前（六连冠），再次成为世界上最快的超级计算机。
图片来源：百度图片
2016年6月20日，由国家并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机“神威·太湖之光”超级计算机，超越同为中国建造的“天河二号”，成为当时世界上最快的超级计算机。至此以来，中国长期位居TOP500排行前列，成为了超算领域的迅速崛起的一颗耀眼新星。[9]
图片来源：百度图片
目前，最新全球超级计算机TOP500榜单显示，中国部署的超级计算机数量位列全球第一，占总体份额超过45%。中国、美国、日本等多个国家正竞相研发E级超算，我国的“天河三号”等百亿亿次超级计算机即将到来，中国“智”造始终在路上。
图片来源：超算top500-www.top500.org
应用与发展前景
超级计算机最先被应用到气候模拟领域，气候模拟和天气预报被认为是世界上最复杂的问题之一。中国目前最快的超算“神威·太湖之光”可以在30天内完成未来100年的地球气候模拟。除此之外，超算还被广泛应用于各类科学研究领域，包括核聚变模拟、石油勘探、癌症研究、基因组学、分子动力学、飞机和航天器空气动力学、量化金融、计量经济和当前火热的各类民用人工智能。总而言之，大到模拟宇宙的演变，小到测算一个分子结构，超级计算机都可以发挥它强大的作用。据此，超级计算机的服务对象是科学研究领域最前沿的方向，也是一个国家的技术命脉。
图片来源于网络
日益受到人们重视的超级计算机正在向前, 以势不可挡的方式发展。由于超级计算机优秀的计算性能与并行处理能力, 越来越多新兴的领域正在逐渐适应超算这一强大助力的加入, 它光明的发展前景令人看好。[10] 未来超级计算机的小型化与民用化是它重要的发展方向, 用于解决人类的问题, 为人类创造光明的未来才是超级计算机真正的意义所在。
下期预告
本期“科学精神耀光华”就到这里啦！下期我们将聚焦3D打印技术，揭秘3D打印技术的前世今生，记得关注哦～
参考文献：
[1]新华社:日本“富岳”超级计算机找出数十种新冠候选药
https://www.msn.cn/zh-cn/news/newcoronavirus/%E6%97%A5%E6%9C%AC%E2%80%9C%E5%AF%8C%E5%B2%B3%E2%80%9D%E8%B6%85%E7%BA%A7%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E6%89%BE%E5%87%BA%E6%95%B0%E5%8D%81%E7%A7%8D%E6%96%B0%E5%86%A0%E5%80%99%E9%80%89%E8%8D%AF/ar-BB16nCIL
[2]超级计算机:未来之争在中美之间展开 百亿亿次是“制高点”[J].今日科技,2017(06):31-33.
[3][10]俞宋骁凯.探究超级计算机的原理及应用[J].通讯世界,2019,26(04):105-106.
[4][5][6][7][9]知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/81413053
[8]维基百科-中国超级计算机
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E8%B6%85%E7%BA%A7%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA
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