是否想過這樣的情景：某一天，當(dāng)你打開電視看天氣預(yù)報，發(fā)現(xiàn)它能精確地預(yù)報明天早上8時你家門口的天氣情況。

或者某天你要買房，你再也不用飽受奔波看房之苦，足不出戶，只要打開電腦，在一個數(shù)字地圖上敲入幾個關(guān)鍵詞，就可以看到房子周邊的景色、房子的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、甚至能夠體驗(yàn)自己置身陽臺所能觀看到的景色。

甚至當(dāng)你走進(jìn)電影院，看到好萊塢科幻大片《盜夢空間》，你也想像電影里那樣，在夢境里輕易模擬出一個現(xiàn)實(shí)空間，其逼真程度可以蒙騙那些被“拐”到夢境里來的人，讓他們誤以為身處現(xiàn)實(shí)……

也許你會說，這只在“盜夢空間”里才會有。的確，在現(xiàn)實(shí)生活中，如果要模擬一個現(xiàn)實(shí)空間，特別是要達(dá)到以假亂真的程度，所需要的計(jì)算量和渲染工程，別說人腦，一臺普通的電腦都有可能被燒爆。

但是在大數(shù)據(jù)時代即將來臨之際，借助一臺擁有“最強(qiáng)大腦”的超級計(jì)算機(jī)，這一切都將不是夢。

1海量計(jì)算

如果普通電腦的運(yùn)算速度像成人走路，那么超級計(jì)算機(jī)就是火箭速度。在極高的運(yùn)算速度下，人們可以通過數(shù)值模擬來預(yù)測和解釋以前無法實(shí)驗(yàn)的自然現(xiàn)象對于很多人而言，電腦已經(jīng)成為生活中密不可分的一部分。是不是覺得你家中的四核PC就已經(jīng)性能很強(qiáng)大了？在廣州中山大學(xué)的國家超級計(jì)算機(jī)中心里，有一臺擁有312萬核心、浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)到每秒33.86千萬億次的超級計(jì)算機(jī)，這就是由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)所研發(fā)的天河二號。

走進(jìn)廣州超算中心，記者看到了目前世界最快的超級計(jì)算機(jī)天河二號。一排排狹長的黑色機(jī)柜整齊地?cái)[放在接近三個籃球場那么大的實(shí)驗(yàn)室中。雖然每排機(jī)柜彼此分開，但是工作人員告訴我們，它們工作時是彼此相連的，其實(shí)是一臺計(jì)算機(jī)。

計(jì)算速度快，存儲量大，體積也非常大，這是記者看到超級計(jì)算機(jī)時最直觀的感受。

為了更好地理解超級計(jì)算機(jī)這個“大塊頭”，我們不妨把時鐘往回?fù)芤粋€甲子。

1946年2月14日，這是人類歷史上劃時代的一天。世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”在美國賓夕法尼亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里誕生。“埃尼阿克”著實(shí)是個龐然大物，它由17468個電子管、6萬個電阻器、1萬個電容器和6000個開關(guān)組成，重達(dá)30噸，占地160平方米，耗電174千瓦/時，耗資45萬美元，每秒能運(yùn)行5000次加法運(yùn)算。

在此后的60多年中，以電子計(jì)算機(jī)為代表的科技廣泛應(yīng)用到社會和人們的生活中。然而，當(dāng)人類越來越深地涉足高科技領(lǐng)域時，遇到的是更為海量、超越一般電腦運(yùn)算能力的計(jì)算難題。

這時，超級計(jì)算機(jī)適時出現(xiàn)了。超級計(jì)算機(jī)（supercomputer），通常是指由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機(jī)）組成的，能夠執(zhí)行一般個人電腦和服務(wù)器無法處理的大資料量高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。如果把普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比做成人走路，那么超級計(jì)算機(jī)就達(dá)到了火箭的速度。在極高的運(yùn)算速度下，人們可以通過數(shù)值模擬來預(yù)測和解釋以前無法實(shí)驗(yàn)的自然現(xiàn)象。就拿天河二號來說，13億人用計(jì)算器算1000年才能達(dá)到天河二號1小時的計(jì)算量。

由于超級計(jì)算機(jī)的基本組成組件與個人電腦的概念無太大差異，所以很多人會誤以為超級計(jì)算機(jī)就是簡單的cpu疊加。但這是一個認(rèn)識誤區(qū)。

浪潮集團(tuán)高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任胡雷鈞打了個比方：你用1000臺PC，用普通的網(wǎng)線把它們連接在一起，你可能花了1萬度電，算了10天，但是你用真正的超級計(jì)算機(jī)，可能只用5000度電，花了兩天就算出來了。

超級計(jì)算機(jī)做的所有工作都是在提高性能和效率。在信息爆炸和科學(xué)不斷進(jìn)步的時代里，要推動一個領(lǐng)域繼續(xù)向前發(fā)展，超級計(jì)算機(jī)的存在必不可少。如今，超級計(jì)算機(jī)也成為衡量一國科技實(shí)力的標(biāo)志，在諸如天氣預(yù)報、基因工程、核工業(yè)、軍事、天體物理模擬、航空航天等高科技領(lǐng)域大展身手。

2超級應(yīng)用

隨著超級計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，它所延伸的領(lǐng)域大多已與民生息息相關(guān)，例如與人們生活密切相關(guān)的天氣預(yù)報和氣候模擬、地震預(yù)報、三維地圖以及大數(shù)據(jù)等應(yīng)用作為“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大腦”，超級計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于地球氣候模擬、宇宙天體研究、基因研究、石油勘探、自然災(zāi)害預(yù)報等“高、精、尖”的前沿領(lǐng)域，已成為世界各國競相爭奪的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

而即將到來的大數(shù)據(jù)時代，更是對人類的數(shù)據(jù)駕馭能力提出了全新的挑戰(zhàn)，運(yùn)用超級計(jì)算機(jī)解決大數(shù)據(jù)時代的重大問題迫在眉睫。

我國走在世界前沿的石油勘探超算應(yīng)用，其發(fā)展經(jīng)歷過一段艱苦的時期。中國石油集團(tuán)東方地球物理公司研發(fā)中心首席工程師趙長海對此感受頗深，“所謂上天容易入地難，說的就是石油勘探。”

在青海柴達(dá)木盆地，海拔4000米的英雄嶺地區(qū)地質(zhì)條件惡劣，地震地質(zhì)條件使得該地區(qū)地震勘探久攻不克。

趙長海說：“石油勘探，我們看不見油，最直接的方式就是打孔，但打孔成本太高，要靠人工地震波進(jìn)行探測，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種計(jì)算，不管是硬件還是軟件，負(fù)荷都是非常龐大的。”

所謂的人工地震波探測，也叫地震勘探，就是向地下發(fā)射一個地震波，地震波發(fā)射之后地面有接收器，接收完這些地震波之后再進(jìn)行分析，從而確定石油的位置。但是要接收并分析這些地震波，不僅要有瞬時獲取大量數(shù)據(jù)的能力，還涉及到許多復(fù)雜的計(jì)算。

最后，借助超級計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，龐大的石油勘探地震數(shù)據(jù)計(jì)算才成為可能。

除了石油勘探，超級計(jì)算機(jī)在智慧城市、個性化醫(yī)療、天體物理等方面也有著廣泛的應(yīng)用前景。有專家大膽預(yù)言，借助于超級計(jì)算機(jī)強(qiáng)大而快速的運(yùn)算能力，在實(shí)驗(yàn)室就能實(shí)施亞臨界核試驗(yàn)，其與真正核試爆的效果是相同的，這意味著超級計(jì)算完全可以取代核試驗(yàn)。

盡管如此，由于早期的超級計(jì)算機(jī)大量應(yīng)用于國家級的科研項(xiàng)目，讓公眾對超級計(jì)算機(jī)還十分陌生，造成一個超級計(jì)算機(jī)跟自己的生活關(guān)系不大的印象。但實(shí)際上，隨著超級計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，它所延伸的領(lǐng)域大多已與民生息息相關(guān)

數(shù)據(jù)顯示，天河一號為汽車裝備、石油物探、動漫渲染、生物醫(yī)藥等相關(guān)企業(yè)帶來上億元效益，輻射區(qū)域和行業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模近百億元。

就拿天氣預(yù)報來說，人們都關(guān)心第二天出行的天氣狀況，但是天氣情況的預(yù)測為什么需要超級計(jì)算機(jī)呢？

氣象局專家介紹，目前的中短期天氣預(yù)報主要是根據(jù)氣象衛(wèi)星等觀測的大氣實(shí)況資料，通過求解描述天氣演變過程的動力學(xué)方程組實(shí)現(xiàn)的。這種運(yùn)算涉及數(shù)據(jù)量龐大，運(yùn)算過程復(fù)雜，一般的計(jì)算機(jī)要計(jì)算出第二天的天氣情況可能需要幾個月的時間，這種預(yù)報就失去了意義。

也就是說，超級計(jì)算機(jī)可以幫助我們實(shí)時地掌握自己附近地區(qū)的天氣情況，不再感嘆“六月的天，孩子的臉”或者“東邊日出西邊雨”了。

3超級算法

“超級計(jì)算機(jī)就好比算盤，如果沒有口訣，它就毫無用處。”要讓超級計(jì)算機(jī)真正運(yùn)行起來，需要各種龐大、復(fù)雜的口訣和算法，這個被稱作超級算法理論中國是算盤的故鄉(xiāng)。借助老祖宗們留下來的許多計(jì)算口訣，在即便已經(jīng)進(jìn)入電子計(jì)算機(jī)時代的今天，用算盤進(jìn)行10以內(nèi)的加減乘除，速度甚至比計(jì)算器還快。

“超級計(jì)算機(jī)就好比算盤，如果沒有口訣，它就毫無用處。”中山大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院教授、廣東省計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任許躍生形象地說。對于超級計(jì)算機(jī)而言，要讓它真正運(yùn)行起來，也需要各種口訣，但這些口訣更龐大、更復(fù)雜。目前科學(xué)界把這個算法稱為超級算法理論。

許躍生介紹，超級算法理論是研究如何設(shè)計(jì)高性能的并行計(jì)算系統(tǒng)，如何發(fā)揮超級計(jì)算機(jī)的性能，為超級計(jì)算科學(xué)服務(wù)。

盡管超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度越來越快，但它也面臨著瓶頸：體積越來越大，產(chǎn)生更多的熱量，耗電量也越來越大。

“如果僅僅是算得更快，但耗電量更大、成本更高，就失去了應(yīng)用意義。”浪潮集團(tuán)高性能計(jì)算總經(jīng)理劉軍說，現(xiàn)在超級計(jì)算機(jī)的研究方向是不斷提升性價比，在額定功耗下盡可能提升運(yùn)算速度。

這時，超算算法的意義就不言而喻。通俗地說，超算算法的意義在于，找出更高效率的計(jì)算方法，最大限度地充分利用超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，這是對人們體力、腦力和基礎(chǔ)知識的考驗(yàn)。

一則2010年初轟動世界的新聞，剛好可以驗(yàn)證算法的威力。法國一名程序員用一臺價值2000歐元的普通臺式機(jī)，打破當(dāng)時世界排名第42位的T2K Open超級計(jì)算機(jī)保持的世界紀(jì)錄。

因此，相比超級計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，目前全世界更看重超算應(yīng)用領(lǐng)域的研究。

劉軍介紹，雖然中國擁有世界最快的超級計(jì)算機(jī)天河二號，但我國在超算應(yīng)用領(lǐng)域還十分薄弱，九成以上的超算軟件都依賴國外進(jìn)口。這也導(dǎo)致我國雖然擁有性能很強(qiáng)的大型超算系統(tǒng)，卻缺乏相匹配的大規(guī)模并行軟件，很多大型超級計(jì)算機(jī)不得不拆分成小規(guī)模的集群來跑應(yīng)用，大系統(tǒng)并沒有發(fā)揮出應(yīng)有的價值，“這實(shí)在是一種很大的浪費(fèi)”。

“目前，我國在應(yīng)用軟件上能跑到萬億次以上的不是非常多，也就是說超級計(jì)算機(jī)的利用率并不高。超級計(jì)算機(jī)的使用要非常謹(jǐn)慎，用不好就是燒錢的。”高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、浪潮集團(tuán)執(zhí)行總裁王恩東也告訴南方日報記者，如何把超算用好是全球性問題，要想讓超級計(jì)算機(jī)真正成為推動科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“發(fā)動機(jī)”，必須要從應(yīng)用創(chuàng)新和人才培養(yǎng)入手，充分發(fā)揮硬件的計(jì)算潛力。