“大國重器”—一超級計算機

作者簡介：孟祥飛，超級計算機數字世界的“建筑師”，負責我國重大自主創新成果“天河”系列超級計算機應用技術的研發與開拓。他和科研團隊通過創新驅動發展的“超算模式”，提升了超級計算機在產業、科研、學術等領域的創新能力和應用能力，使“天河”超級計算機成為名副其實的“國之重器”。

超級計算機到底有多快

人最快的運算速度約為每秒5次加法運算。1946年，世界上第一臺通用計算機誕生，它每秒能進行5000次加法運算?，F在，我們人手一臺的智能手機其實也是一臺小小的計算機，它的計算速度已經達到每秒幾十億次。而新一代的E級超級計算機系統的計算能力將達到每秒百億億次，其工作一小時的計算量相當于全世界70多億人一塊兒計算上萬年。

想不想見識一下神奇的超級計算機呢？

如果把普通計算機的運算速度比作我們走路的速度，那么超級計算機的運算速度就達到了火箭的速度。它為什么會這么快？原來，一臺超級計算機里面有幾十萬甚至上百萬個計算處理核心，通過高速網絡把一個個計算處理核心組成一個整體，讓這些計算處理核心并行計算，從而讓它發揮“超級”計算的性能。

“天河”系列超級計算機的速度經歷了怎樣的變化呢？

天河一號是十多年前的一臺超級計算機，當時它是世界上最快的超級計算機，具備千萬億次的計算能力，這意味著它的計算速度達每秒1015次。天河一號工作一小時，相當于全中國13億多人300多年的計算量。經過10多年的發展，我們正在邁向一個新的超級計算速度的時代，叫E級計算時代。在E級計算時代，一臺超級計算機的計算能力能達到每秒計算1018次，比天河一號跨越了兩個數量級以上的計算能力。這種新的計算能力給我們帶來更加強大的科技研發能力，它工作一小時就相當于全世界70多億人上萬年的計算量。

超級計算機能算天、算地和算人

超級計算機是國之重器，是世界各國競相角逐的科技制高點。雖然我國的超級計算機曾在速度上多次蟬聯世界第一，但是看一個國家“超算”的性能與技術水平，不能僅看它的速度，更多的應體現在實際應用上。

那么，超級計算機主要運用在哪些方面呢？

超級計算機的應用，簡單概括為“算天、算地、算人”，還有服務大科學、大裝置等的創新。

算天，例如天氣預報，用我國自主研制的超級計算機，給老百姓提供了高質量的天氣預報，大家的反映是天氣預報越來越準了?，F在還能提供中長期天氣預報，每天計算出來的結果可以支持一周以上長效的預報。這使我們能夠更有效地應對一些自然災害的發生。此外，還能預報一些突發的天氣現象，像臺風、暴雨、冰凍等極端災害天氣。我們結合新的數據，能夠在最短的時間內，借助超級計算能力，預報出未來天氣的運行軌跡，為國家的防災減災，為老百姓的生活提供幫助。

算地，也跟老百姓的生活相關。主要包括地震預測、礦產勘探開發、油氣能源勘探開發等。借助超級計算機分析野外采集的地質數據，相當于用超級計算機反演，給地下環境成像，就好比給地球做CT（電子計算斷層掃描）。這樣一來，就可以更精確地找到油氣資源的分布，提高開采效率。我們做飯用的天然氣、開車用的汽油等，這些與我們日常生活相關的東西，都有著超級計算機的貢獻。

算人，就跟人更密切了。首先，運用于基因大數據的解讀。通過超級計算機對獲取的現代基因大數據進行分析，可以幫助人們精確地預測一些重大疾病的發生，包括像唐氏綜合征等一些先天性缺陷病癥、乳腺癌等癌癥，最大限度地發現疾病隱患，從而讓醫學治療進行早期干預。同時，通過超級計算機對基因數據和蛋白質進行模擬分析，可以開發出更精準的治療藥物，例如靶向藥物的研發。

超級計算機與港珠澳大橋

“天河”系列超級計算機平臺，支撐了2000多個科研團隊、幾十個重大領域的應用。超級計算機有著巨大的體形，一旦運行起來從不休息。它可以讓許多事情更高效，如電影特效、飛機設計、汽車生產等。它還曾為聞名世界的港珠澳大橋服務，具體是怎樣發揮作用的呢？

港珠澳大橋有一個重要的施工環節——沉管隧道施工。大橋的隧道由33節沉管連接而成，每節沉管的內部由超過40萬根近1萬噸的鋼筋和7萬噸混凝土組成，這些沉管需要一一沉人海底后實現無縫對接。沉管的施工需要模擬洋流對沉管的影響，包括裝配的誤差、海底泥沙的淤積等對沉管帶來的影響。我們不能先進行沉管施工，再去解決這些實際問題，那樣工程量太大了。所以，通過超級計算機先進行模擬，模擬整個海底地形環境及洋流運行過程，觀察洋流對沉管施工帶來的影響，預測今后海底泥沙的淤積對港珠澳大橋海底部分會帶來多大的影響。

超級計算機與人工智能

如今，人工智能的應用越來越廣，有人臉識別、刷臉支付、智能語音翻譯、無人駕駛、無人超市等。超級計算機是否可以幫助更好地實現人工智能呢？

人工智能由人臉識別、模式識別、數據決策、自動化控制等技術支撐，這些技術形成的一個最重要的階段，就是要形成訓練模型，相當于人臉識別的后臺軟件。它要經過大量數據的訓練分析，然后逐步形成一個深度學習的框架，即形成一個軟件。再把它部署到前端，就可以去進行人臉識別、語音識別等。這個訓練過程需要大規模計算，而新一代的超級計算機可以逐步支撐人工智能的訓練和“大規模場景”的打造。

在超級計算機的幫助下，人工智能會更高效地幫助人類完成工作，也會代替更多的工作崗位和職業。未來人工智能會不會替代人類呢？

汽車比人跑得快，飛機能飛，潛艇會潛航，是因為我們掌握了氣動力學和水動力學的物理性規律。人工智能其實跟人類智能是完全不同的兩個概念，現在的人工智能發展，是以基于計算機帶來的數字化和計算機形成的超級計算的能力，然后逐漸誕生機器智能的一個過程，它替代不了人的智能。但是我們應該相信的是，人工智能會帶來越來越強大的科技能力。

超級計算機助力我們更美好地生活，相信在不久的將來，超級計算機的潛力將進一步釋放，算天、算地再算人，未來一切皆可算，而這一切都需要我們人類的智慧來支撐。

我們每一個人都是有7000億萬顆原子的小宇宙，我國正在開啟強國建設的新征程，我們要激發我們的小宇宙，讓我們成為新征程道路上奮發有為的強國一代。我也期待對于“超算”的未來，同學們都能貢獻各自的智慧！

延伸閱讀：

在2021年底最新公布的全球超級計算機500強榜單中，日本的超級計算機“富岳”在運算速度等4項性能排名上位居世界第一，美國的超級計算機“頂點”和“山脊”分列二三位，我國的超級計算機“神威·太湖之光”位居第四。榜單與往年相比沒有太大變化，而萬眾期待的E級超級計算機仍然沒有出現。

據報道，我國在E級超級計算機領域布局已久。目前已有“神威”E級原型機、 “天河”E級原型機和“曙光”E級原型機三個不同技術路線的原型機系統完成交付。

與此同時，量子計算成為全球最前沿的科學技術，有望給未來社會帶來顛覆性的改變。因此，許多國家都在研究這一先進技術，希望能贏得未來發展的先機。令人欣慰的是，我國在量子計算領域已經走在了世界的前列，在超導量子與光量子兩種系統的量子計算方面實現了關鍵突破。我國最新研制的光量子計算原型機——“九章二號”已成功問世，計算能力又一次實現了顯著突破。據介紹，與當前最快的超級計算機相比，在處理特定問題的速度上，“九章二號”快了1024倍，也就是億億億倍。而66比特超導量子計算原型機“祖沖之二號”也揭開了神秘的面紗。在“量子隨機線路取樣”快速求解上，“祖沖之二號”的求解速度是當前最快超級計算機的一千萬倍。這無疑是我國超導量子計算機里程碑式的突破。