中國超算全面統治最新全球500強：它對生活的影響超乎你想象

出品：科普中國

制作：科了個普雁丘客

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

2017年11月14日，國際TOP500組織發布的超級計算機性能榜單顯示，中國制造的新型超級計算機“神威·太湖之光”持續占據首位。同時，它還和“天河二號”第三次攜手奪得前兩名。這次榜單的第三名是來自瑞士國家超算中心的升級版Piz Daint，美國則20年來首次無緣前三。

令國人為之興奮的成績不止于此，這次榜單中，中國上榜超級計算機系統數量第一次超越了美國，并且在數量上對美國形成了壓倒性的202比143。要知道在6個月之前，這個數字還是美國169 vs 中國160！中國上榜超算系統的暴增也令美國上榜的超級計算機數量降至25年來的最低水平。

此外，中國在總體性能（aggregate performance）這一指標上也超過了美國。目前，中國占TOP500榜單浮點計算力的35.4%，美國以29.6%位居第二。短短半年時間，中國在總體上和尖端領域都實現了對美國的壓制。超算與高鐵一樣，正在成為中國科技實力和工業能力的新名片。

圖1. 神威·太湖之光超級計算機（圖片來源于網絡）

下面是與這次榜單相關的一些數字。

202部：在全球超級計算機TOP500榜單中，中國以202部居首，超越美國的143部。

605平方米：作為連續三屆的榜單霸主，神威·太湖之光超算的占地面積達到605平方米，假如你家房子的面積是一百平方米，這臺超級計算機是其6倍左右。

40960塊：整臺“神威·太湖之光”共有40960塊處理器，這種處理器就是我們自主設計生產的國產芯片——“申威26010”眾核處理器。

12.5億億次：“神威·太湖之光”的運算峰值能達到12.5億億次，是世界首臺峰值運算速度超過10億億次、并行規模超千萬核的劃時代新型超級計算機。

32年：這套系統1分鐘的計算能力，相當于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。

200萬：如果用2016年生產的主流筆記本電腦或個人臺式機作參照，‘“神威·太湖之光”相當于200多萬臺普通電腦。

18億元：這臺計算機的造價約2.73億美元，約合人民幣18億元。

圖2 神威·太湖之光超級計算機（圖片來源于網絡）

超級計算機由于具備多個并行的高速運算核心，能夠實現遠遠高于一般計算機的運行速度。由于普通人較少接觸實際應用超算的行業或者領域，對超算的作用缺乏感性認知，因此經常會覺得超算與我們的生活有強烈的距離感。

實際上，超算對日常生活的影響可能遠超你的想象。目前超算系統中常見的計算模型有：天氣預報模型、地球模擬器模型、飛行模擬器模型、分子蛋白質折疊模型和神經網絡模型。

看過下面的幾則超算應用，相信你會感受到超算離我們并不遙遠，反而可能早已滲透到我們生活的方方面面。

1.“竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知”——利用超算結合氣象觀測大數據，提高對天氣預測和環境事件預報的準確度

只要有算法和模型，所有計算機都可以進行天氣事件的預測，問題是能有多準確。天氣預報精準預測的核心困難，簡單說就是計算量太大了，影響最終結果的參數太多，太復雜，導致這個模型非常敏感。貌似隨機的天氣情況是由巨量的動態參數決定的：濕度、壓力、海拔、地形。唯有超算才能夠勝任規模如此龐大的計算任務。

例如，我們可以借助超級計算機實施高精度模擬實驗，并結合對實際氣象災害進行觀測獲得的大量數據來對天氣這個復雜系統進行高精度的解析。

在開發可以迅速預報局部地區暴雨和龍卷風等突發災害技術的同時，超級計算機還可以推斷這些極端天氣現象對于人和建筑物的危害程度，甚至還可以預測數周乃至數十年范圍內臺風的發生情況。

圖3 超級計算機可以推斷這些極端天氣現象對于人和建筑物的危害程度（圖片來源于網絡）

此外，通過監測被人類活動排放到大氣中的微粒子以及溫室氣體，pm2.5等物質含量以及分布的變化狀況，超級計算機可以協助模擬這些物質對于天氣和環境施加的影響并對其趨勢加以預測。

例如，在歐洲，入侵物種豚草目前被限制在意大利北部和法國南部地區。不過，據計算機建模預測，到2050年，它將出現在包括德國、烏克蘭、羅馬尼亞和法國剩余地區在內的歐洲東部和北部。

與全球變暖趨勢同步，不斷上升的氣溫使豚草入侵歐洲東部和北部地區的時機已經成熟。更長的夏季意味著更多的豚草將完成其生命周期，并且產生成熟的種子。而大氣中額外的二氧化碳將為這種植物提供養分，幫助其產生更多的花粉，而豚草的花粉極易誘發花粉過敏及其它呼吸道疾病，不僅侵害當地生態系統，更給人類健康造成重大威脅。根據計算機模型的預測結果，豚草成為歐洲生態災難的可能性和嚴重性已經超過人類預期，亟待采取措施改變這種趨勢。

圖4. 豚草及其花粉的威脅（圖片來源：Inra-Dijon）

2.“飛流直下三千尺，疑是銀河落九天”——能源產出、轉換、儲存相關的高效計算

對于全世界來說，能源問題都是最重要的課題之一。科研工作者正在致力于利用超級計算機進行與能源的制造、儲存和能源合理利用相關的模擬實驗。

例如，利用超級計算機模擬核反應堆運行，可以幫助研究人員更好地了解反應堆的性能，這比以前的方法具有更高的可靠性。最終的目標是提高功率、延長反應堆壽命和減少廢物。

目前數字化的電站設計和建造已經在世界各地開展。電站核心的能量產生裝置（水輪機、汽輪機、核反應堆等）和部分能量轉換反應（煤炭、生物質能燃燒、核裂變等）在理想狀態下的模擬實驗已經可以通過計算機來完成。

美國西屋公司和先進輕水反應堆模擬仿真聯盟（CASL）利用CASL的虛擬環境應用(VERA)程序對西屋公司AP1000反應堆堆芯進行物理模擬。VERA通過產生3D高保真功率密度分布來呈現啟動時的預期工況。通過并行使用24萬個計算單元，可以模擬1萬億個粒子來降低統計誤差。該項研究將有助于提高對堆芯情況的理解，以確保反應堆的安全啟動。

圖5. 輕水反應堆模型（來源：Kevin T Clarno）

3.“綠水青山枉自多，華佗無奈小蟲何”——通過分子尺度的復雜系統模擬，助力疾病機理研究和新藥開發

用理論方法分析大分子的結構動力學，可以為生物學實驗提供對比分析。然而，當我們試圖用物理化學原理來解答分子折疊、催化、分子間通過特異性等問題時，由于生物分子體系由成千上萬的原子構成，它們的結構和動力學通過大量的范德華力、疏水、氫鍵等物理化學的弱作用來維系，在微觀上缺乏均一性，這使得我們很難在生物大分子的研究中應用理論分析工具。

圖6. 計算機設計的蛋白質和非天然折疊體（來源：BY-NC-SA）

而計算機分子模擬技術的發展，為解決這些問題提供了很好的幫助。比如核磁共振實驗數據的結構修正、基于同源結構的3D建模、蛋白質復合物結構預測等等。

五十年前, 蛋白質折疊問題作為基礎科學的巨大挑戰而誕生，從那時起, 我們對它的理解大大加深了。由此引發的成果, 包括已經建成的超過80,000個蛋白質結構的數據庫，生物分子模擬力場，基于可折疊聚合物的材料科學的新領域等都得到了發展。

超算還可以幫助我們從分子層面理解疑難疾病的致病機理。如阿爾茨海默癥、帕金森氏癥和II型糖尿病等所謂的蛋白質折疊疾病。

圖7 超算還可以幫助我們從分子層面理解疑難疾病的致病機理，如阿爾茨海默癥（圖片來源于網絡）

在此背景之下，現代制藥行業也已經廣泛采用了超級計算機作為手段，預測藥物成分與致病因子之間的結合與藥理反應，從而大大提高篩選有效藥物成分的速度。利用超算強大的運算能力，拉網式排查也變得簡單起來，從而有望發現通過改良已知化合物的方法所不能得到的、新穎度較高的候補化合物結構，再設計實驗來嘗試對其進行合成。

同時，通過對生物體內蛋白質和新藥候補化合物間藥理作用的高精度模擬實驗，甚至可以事先預測其藥效和副作用，從而避免不必要的動物實驗。

4.“天生我材必有用，千金散盡還復來”——支撐下一代IT產業發展的新功能設備以及高性能材料的開發

我們賴以生存的IT社會的發展，是由高性能材料和新功能設備的設計開發所支撐的。計算機的應用極大地改變了設計的技術手段，改變了設計的程序與方法。與此相適應，設計師的觀念和思維方式也有了很大的轉變。

傳統的材料以及設備開發耗費大量的時間以及人力物力，存在盲目性和低效性。由于計算機輔助設計的出現，設計的方式發生了根本性的變化。這不僅體現在用計算機來繪制各種設計圖，用快速的原型技術來替代油泥模型，或者用虛擬現實來進行產品的仿真演示等。更重要的是，建立起一種并行結構的設計系統，將設計、工程分析、制造三位一體優化集成于一個系統，使不同專業的人員能及時相互反饋信息，從而縮短開發周期，并保證設計、制造的高質量。

通過在模擬過程中提高器件構造的復雜性、以及材料組成的多樣性，我們可以進行與現實更接近的模擬計算，最終的目標是在產業級別實現新設備和新材料的電腦輔助設計，同時還將通過融合實驗數據和模擬實驗，來實現新器件的設計與開發。

圖8. 住友橡膠利用超級計算機和大型同步輻射設施開發輪胎（來源：住友橡膠）

與美國一樣，超算領域曾經的霸主——日本，也在中國的奮力追趕之下盡顯疲態。盡管這三年來中國霸占了超算TOP500冠軍七次之多，但在超級計算機技術上日本曾經長期領先中國。

2011年富士通研發的K（京）超算奪得了當年的TOP500第一，中國的天河1A只獲得了第二，而且TOP500總數上日本也一直領先中國。如今中國的太湖之光、天河2霸占了TOP500前兩名，日本的“京超算”排名下滑一位，到了第4的位置。對于此次最新榜單發布，日本網友們也發表了看法：

一直說不要做第2，現在第1和第2都是中國的，（我們日本）最初的目標是第1卻連第2也拿不到。

不想做第2卻排在第4了。第1和第2都是中國，現在雙重國籍的蓮舫應該很開心。（譯者注：蓮舫，日本民進黨前黨首，具有華裔背景，因此屢遭日本網友攻擊）

日本只作為旅游國家也可以，這是輕視教育的國人的責任。戰后為復興奮斗的那些人的努力都去哪了？

應該感謝蓮舫，畢竟有任何過錯或失敗都可以把責任推到她身上。然而首先要考慮的是：日本的國力與美國、中國相比太弱了，不僅僅是超級計算機，在太空、大數據等領域也不強。

一篇日本普通網友發表于2011年的博客中這樣寫道：“【京】的性能，與中國開發的超算相比有兩倍的領先，這一方面也可以說是國力的差距吧。我們的國家資源匱乏，要依靠這些科學技術才能生存。從某種意義上講，也是因為留給我們的選擇實在是太少了。”

實際上，這條短評放在當時的背景下無論如何也能稱得上是理性客觀了，從中其實也不難看出，日本人面對捉襟見肘的資源國情時內心的壓抑和對發展先進技術的追求與執念。如今，重看這區區六七年之前的話語，不得不感慨中國的發展速度根本不給人適應的時間和空間……

電子計算機的出現，解放了人類的大腦，讓人類從繁重而機械的運算中解脫出來，徹底改變了人類的生活面貌。正如愛因斯坦的相對論力學在接近光速的情形下顛覆了牛頓的經典力學，計算能力的飛躍式發展很有可能產生量變引起質變的革命性科技成就。超級計算機在我們未來探索未知世界的征途中發揮怎樣的作用，我們拭目以待。

參考鏈接：

1.https://blog.kitware.com/designing-nuclear-reactor-core-geometry-and-meshes/

2.http://www.ssctech.net/newsitem/277735288

3.http://www.srigroup.co.jp/data/open/cnt/3/6433/1/2015_137.pdf

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發表于 2017-11-15 00:00
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