关于超级计算机的简要综述

关于超级计算机的简要综述

郑浩然

关键词：超级计算机、中央处理器、集群、数值计算

1.引言

超级计算机是可以衡量一个国家科技水平与能力的重要科技资源，也是一个国家综合国力的重要表现。目前，我国的超级计算机在数量和质量方面的发展都名列前茅，各种产业对超级计算机的依赖也逐步加强。同时，在一些特定领域，超级计算机也发挥着重要的作用，所以对超级计算机的各项内容以及使用情况进行研究是很有必要的。

2.超级计算机的发展背景

2.1TOP500超级计算机排名情况

早在2013年6月，由国防科技大学计算机学院研制的中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”便已经取得全球第五、亚洲第一的好成绩，这也是中国超级计算机在国际排行榜上首次取得这么好的成绩。“天河一号”超级计算机峰值速度和实测速度分别达到每秒1206.19万亿次和563.1万亿次。难得的是，在当年排行榜公布的全球排行前10台性能最好的超级计算机中，这是唯一的非美国产品，也表明中国在超级计算机研制技术方面已进入世界前列，中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次级超级计算机系统的国家。

在2017年11月13日，新一期全球超级计算机500强榜单发布。从此期榜单来看，中国的超级计算机“天河二号”以每秒3.39亿亿次的超快浮点运算速度遥遥领先于世界水平，夺得了世界的“亚军”，而由中国国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威•太湖之光”横空出世，以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度出人意料地夺冠。这个速度是原冠军中国“天河二号”的近三倍[1]。除此之外，以往在超级计算机榜单上占据优势地位的美国则连续第二次没有进入前三名，仅仅凭借每秒1.7亿亿次的浮点运算速度暂时位列全球第五的位置。在各国上榜超算台数上来看，中国也首次突破了200台大关，占据榜首，反观美国则是降到了144台成功交换了位置，开创了属于中国的超级计算机新时代。

2.2国内超级计算机的发展情况

本次登顶榜首的神威·太湖之光成功将我国超算的水平提升到全新的E级，即每秒以百亿亿次浮点计算，成为世界公认的“超级计算机界的下一顶皇冠”，并将会在解决世界性的能源危机、环境污染和气候变化等问题上发挥出巨大的作用。百亿亿次每秒的运算速度使它的效率高得难以估量，打个比方来说，神威·太湖之光工作一个小时就相当于当前全国工人上万年的工作量。最可贵的是它使用的处理器全部都是国产的，摆脱了用进口处理器制造中国超算的局面，真正实现了包括处理器在内的所有核心部件国产化。这次的排行榜让我们真正看到了国家在此领域争取制高点的信心与决心。而位列全球第二位的“天河二号”超级计算机是也由国防科技大学自主研发的，并且在神威·太湖之光发布之前，同样一直占据着全球领先的地位。在被神威·太湖之光超越前共有六次登顶记录，也可以称得上是一代神话。同时可以看到，近十年来，第一名的系统受国家相关科研计划影响，其性能呈跳跃式发展，在今年的神威·太湖之光之后，下一台Ｅ级系统可望在2019年后出现[2]。

3.超级计算机的组成部分

3.1超级计算机与普通计算机的差异

计算机集群简称集群，是一种计算机系统，它通过将一组松散集成的计算机软件或硬件连接起来的方式，进行高度紧密地协作，以完成计算工作。在某种意义上，他们可以被看作是一台独立的计算机。而超级计算机正是由成千上万个独立处理器集群在一起的结果，这样的集群效果并不是简单的堆积，而是通过并发的方式来进行运算。通过先进的架构和设计，超级计算机实现了存储和运算的分开，确保了用户数据、资料在软件系统更新或CPU升级时不受任何影响，保障了存储信息的安全，真正实现了保持长时、高效、可靠的运算并拥有易于升级和维护的优势。

3.2中央处理器的基本构成以及功能

中央处理器是一块超大规模的集成电路，同时是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，使计算机能够正常执行各种指令，完成数据的传输和使用。中央处理器拥有处理指令、执行操作、控制时间、处理数据的功能。

4.超级计算机的功能用途

数值计算把理论和实验联系起来，作为一道通往真理的桥梁，这个过程是不可或缺的。很多问题的研究离开了数值计算模拟根本无法有效进行。利用超级计算机来进行高精度、高速度的数值计算模拟，对解决实际问题所发挥的作用是无与伦比的[3]。超级计算机的各种功能的迅速发展令人目不暇接，它无比广阔的应用前景正在被越来越多的人所认可。

4.1对自然气候的分析

超级计算机在预测天气方面有着重大的作用。超级计算机可以通过红外线探测到高远的云层中，然后经过模拟附近的气象信息来推测云层的厚度，以此来预测云层动向，只需几个小时便可预测出将来几天的天气，且精度可达2到3公里。大规模与高精度的大气数值模式运算，必须依靠高精度、高性能的大型计算机，而超级计算机显然是这方面的佼佼者。

4.2对生物医学方面的分析

在过去，一种新药的问世需要经过诸多复杂的过程，从化合物的筛选到有关化合物、制剂的合成，再到三期的临床试验，往往需要十到二十年的时间，但是如果通过运用超级计算机进行辅助药物设计和高通量虚拟筛选，就能够大大缩短成药周期、降低研发成本，收到更好的效益。比如，在“天河二号”上分别开展面向埃博拉病毒、癌症治疗的虚拟药物筛选，一天时间内就可以完成对世界上已知结构的四千万种化合物分子的筛选工作，为寻找应对未知突发性病毒的药物提供了快速有效的虚拟筛选手段[4]。

4.3对地质灾害的模拟、分析

2017年11月17日，我国通过神威·太湖之光的“非线性地震模拟”试验的成果成功斩获了“戈登.贝尔”奖，实现了我国在这个奖项上零的突破。研究团队选取了唐山大地震震源附近320公里×312公里×40公里的空间区域，以0.001秒为时间单位，精确地模拟了该区域在地震发生后150秒内的地质变化，分辨率可达到8米，频率达到18赫兹。这对于中国以及世界对地震的预测、防护以及城市规划设计有着重要的意义。

5.目前存在的不足之处以及改进措施

5.1存在的不足之处

5.1.1超级计算机的建造与使用成本过高

每生产一台超级计算机，国家便要投入数亿甚至数十亿的成本，没有大国的综合国力支撑根本建造不起一台超级计算机；而且经过粗略计算，天河二号的功率会超过20兆瓦，仅一年的电费就要超过1亿元人民币，全速运转的情况下甚至会达到1.5个亿。同时，过多的硬件也限制了超级计算机的访问速度，这些都将是超级计算机发展的瓶颈和障碍。

5.1.2超级计算机的使用领域过窄

目前，超级计算机的应用领域相对较为狭窄，大部分只服务于国家层面，如在军事、天气预报，航空航天等方面。但在民用、商用方面则因缺少相应的程序和对超级计算机的需求而无法广泛使用。尽管国家在政策上有所扶持，但超级计算机的广泛应用仍需较长的时间来发展。

5.1.3超级计算机的软件发展相对滞后

由于算法编写方面的困难和理念上的缺乏，超级计算机的功能一直没有能够完全被挖掘出来，特别是在使用效率上，并未完全将硬件集群的效果发挥出来。所以在软件方面仍有着不小的缺失。但换个角度来看，这意味着超级计算机的软件仍有着很大的进步空间，等待着人们的发掘。

5.2对应的改进措施

超级计算机有着无可代替的作用与功能，但是由于成本过高，使用面较窄以及存在很多的技术瓶颈，导致目前的超级计算机还存在着许多问题。所以，可以考虑通过加大投入以及政策支持的方式降低使用成本。同时，可以逐步在商业以及民用领域投入使用，来拓宽超级计算机的应用领域，从而可以借此产生一些利润。

(1)政府的财政支持、寻找替代能源、开发并使用新型清洁能源以及加大科技研发力度，都能为超级计算机的前程添砖加瓦，使它更加趋于完善。

(2)超级计算机的应用领域远比想象中的丰富。当12306苦于春运时被挤爆的网站时；当双11时商家为拓宽网页，扩大店铺可容纳人数绞尽脑汁时，超级计算机的使用可能会以

其极快的运算速度和超大的容量带来出人意料的奇效。

(3)当超级计算机感叹无“用武之地”，而使用者又为没有合适的软件而苦恼时，为何不在软件方面多加大一些投入并专门培养一些超级计算机编程方面的人才呢？以超级计算机无限广阔的前景担保，人们在软件研发上的投入，必定能得到百倍的回报，造福人民，造福社会，也为国家的科研发展尽一份力。

参考文献

[1]袁国兴，姚继锋.2016年中国高性能计算机发展现状分析[P].CN43--1258/TP.2016.1236.12

[2]彭绍亮.研制发展超级计算机对国家意义重大[R].时事纵横.解放军报2016,11008:1

[3]中国“神威•太湖之光”再次问鼎世界超算冠军[N].商界咨询2016,12,15

[4]王握文.以超级速度破解人类面临多种世纪难题[N].时事纵横.解放军报2016,11008:1