探索人类起源、寻外星人、破解生命密码超级计算机都能解决？ - Headline版

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Headline版 - 探索人类起源、寻外星人、破解生命密码超级计算机都能解决？

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4月中旬，美国商务部网站宣称，将7个中国超级计算机实体列入所谓“实体清单”，声称其涉嫌“破坏军事现代化的稳定”。
对于外界来说，超级计算机总是笼罩着一层神秘的氛围，用“只听其声、未见其人”来形容再合适不过了。
到底什么是超级计算机？与普通计算机有什么区别？与现在经常被提及的量子计算机有什么区别？超级计算机能用来做什么？国家超级计算长沙中心（湖南大学）副主任彭绍亮全面解答有关超级计算机的疑问。
1、超级计算机与普通计算机的区别是什么？
超级计算机，顾名思义是指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计算机。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，不仅用于国家高科技领域和尖端技术研究，而且在关乎国计民生、国家安全的几乎所有领域，超级计算机都发挥举足轻重的关键作用，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志，是世界各强国争夺的战略制高点。
国际超级计算机TOP500组织，每年对全世界已安装的超级计算机进行两次排名，并在这一领域最具世界影响力的国际超级计算大会上公布，其排名在相当程度上显示了一个国家信息领域的科技创新能力和综合实力，特别是进入排名前10位的系统代表着超级计算的顶尖水平。
超级计算机用了很多个处理器，如果把普通计算机的处理器比作1个士兵，超级计算机即是一个超级军团，“千军万马”有机地叠在一起，同时执行任务，专业术语称之为“并行计算”，便能大大提高运算速度。
然而，超级计算机的运算速度并不遵循“1+1=2”的公式，芯片之间需要有任务划分和数据交换，这些也是要消耗时间的，因此，计算速度的增长，总是低于芯片数的增长。一台超级计算机能够容纳下多少芯片，取决于系统架构。超算架构同样也是核心技术，超算超强的计算能力是计算、存储、互连等全系统综合能力的体现。
2、量子计算机与超级计算机有什么区别？
目前的超级计算机大部分是冯诺依曼体系结构的硅基计算机，除此之外其他类型的计算机或者专用机、超级计算机等都称为新型体系结构计算机，例如：量子计算机。
量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。
量子计算机是一个物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息。量子计算机和许多计算机一样都是由许多硬件和软件组成的，软件方面包括量子算法、量子编码等，在硬件方面包括量子晶体管、量子储存器、量子效应器等。目前在全世界范围内还处于理论和技术研发状态，量子计算技术正处于起步阶段。量子计算机当前所处的阶段，与1980年代的传统计算机相似，没有看到大规模应用。
3、超级计算机用于哪些领域？
超级计算机肩负着大型科学工程计算的使命，有人总结它在“算天算地算人”上都能派上用场。传统的超级计算机的主要功能是“算天、算地、算人”。
“算天”，就是研究气候气象等大气物理与宇宙起源演化等天体物理等重大问题，比如千年气候变化研究、年季的区域气候变化研究、气象和海洋预报、空气污染预警预报等。
“算地”，就是解决油气能源开发中地下油藏分布的“小地球物理”和地震成因、地质演化等“大地球物理”研究挑战。特别是在油气勘探领域，基于高密度地震波勘探数据，反演地下地质结构三维高精度成像来指导油气开采，必须依靠超级计算能力来完成大规模地震数据处理。目前我国在这个领域已经走在世界先进水平。
“算人”，就是研究人类的基因密码、生命动力学特征、神经科学等。它能在3个小时之内完成500人规模的全基因组关联性分析；对人体血流进行模拟与分析，可以及时有效地判定他是否会发生脑梗塞的风险；“天河”超级计算机协助搭建起“15秒断诊”新冠CT影像智能诊断平台，并助力筛选能抑制病毒的小分子药物；在人工智能方面，超级计算机也是不可替代的硬件支撑。
一个人的大脑就有1000亿个神经元和更大规模的神经突触，要在人类生命科学领域取得重大突破，就必须借助超级计算机进行复杂的具有生命特征的动力学仿真和海量数据处理。
近些年超级计算机开始面向全社会提供计算服务，除了支持传统的大规模科学工程计算，还在大数据、人工智能、区块链等领域发挥了巨大作用。天河超级计算机已经在天津、长沙、广州、吕梁等多个城市进行了部署，每个普通用户都可以通过互联网直接申请计算资源和计算服务。超级计算机在“衣食住行玩”等事关百姓经济和生活的领域大显身手。
“衣”，就是通过高分子材料模拟、“材料基因组”实施来开发更舒适、优质和丰富的服装材料。
“食”，就是用高性能数据分析来指导农业优质分子育种、高效环保肥料生产、发酵等食品工艺优化等。“住”，就是用建筑信息建模BIM和虚拟现实等技术，让我们不仅可以看到我们的小房子，还可以足不出户就了解我们生活的大环境。
“行”，就是用我们基于超级计算机构建的“数值风洞”指导我们研发安全行驶的汽车、稳定飞行的飞机。“玩”，由超级计算机构建起来的大规模渲染制造平台正在为我们制作绚丽的灯光秀、大规模动漫渲染和影视特效等，像春晚灯光秀、动画片“熊出没”、新版西游记等大量我们喜闻乐见的电影、电视剧、游戏等正在超级渲染平台上完成。
领先世界的湖南“三超”，另外两超“超级水稻”和“超级轨道”都是超级计算机的大用户。目前，国家超级计算长沙中心“天河”超级计算机的用户已经超过1200家，包括各大企业、事业、高校、研究所等，支撑国家级项目课题超过400项。 “计算力就是生产力”，国际上公认超级计算机技术及产品是一个国家综合国力的象征。超算的下一个目标是E级超算，即每秒钟进行百亿亿次运算，随着运算能力的跳跃式发展，对于超算系统的可扩展性、成本、能耗、可靠性等提出了巨大的挑战。
此外，超级计算机可以用来探索和破解一些未解之谜。如：宇宙黑洞和星座发现观测、新元素新物质，探索人类起源，药物对人体和疾病的作用和新药研发，验证和证明100大数学难题等。
4、超级计算机的核心技术是什么？这些核心技术我们能否做到自力更生？
超级计算机是一个复杂巨型系统，它的核心技术有很多，包括硬件和软件两大类。硬件包括计算（处理器CPU等）、存储IO、互连等多个部件，软件包括系统软件、中间件、应用软件等。这里面大部分技术我们目前可以做到国产替换，但是在效率、性能和能耗等方面还有很大的提升空间。
我们需要重点攻关的核心技术包括：从底层的芯片设计和制造，到中间的操作系统等系统软件的自主研发，大数据、人工智能、区块链等中间件软件框架，大规模科学工程计算的应用软件等。
超级计算机是国之重器，也是一个国家核心生产力和综合国力的体现，因为超级计算机在国防、经济、社会等领域应用非常广，可以说是无处不在的。
当前国产超级计算机可以做到核心部件和软件等大部分可以做到国产化，完全国产化替代也是下一步可以持续研究和发展的。如果没有独立自主的超级计算机，我们可就只能采购海外的超级计算机，对方可以选择卖或者不卖，天价售卖，售卖以后全程监管监控等。
5、全球最强的超级计算机有哪些？天河超级计算机有多强？
2020年11月，第56期全球超级计算机TOP500榜单中，日本“Fugaku（富岳）”蝉联冠军，处理器数量达到7630848个，每秒浮点运算次数为442010万亿次。天河一号和天河二号、神威太湖之光，这些让中国人引以为傲的超级计算机曾先后登上世界超级计算机冠军的宝座，早已蜚声海内外。
天河一号是中国人第一次问鼎世界第一的超级计算机，天河二号又创造了6连冠的世界纪录，目前为止这一世界纪录还在保持。天河二号”超级计算机系统是国家十二五863计划重大项目的标志性成果，由国防科学技术大学承担研制。“天河二号”一期系统峰值计算速度达到每秒10.07亿亿次、持续计算速度达到每秒6.14亿亿次、总内存容量约3PB，全局存储总容量约19PB。“天河二号”峰值计算速度、持续计算速度以及综合技术水平处于国际领先地位，是我国超级计算技术发展取得的重大进展。
6、美国、日本的超级计算机有哪些优势？中国的超级计算机发展势头如何？
超算产生的背景是用于解决复杂的科学、工程问题，比如流体、生物、材料、化学、分子、天体物理等领域的仿真计算。随着计算机计算性能的不断发展，计算仿真研究已经成为三大科研方法之一，而且越来越体现其在科研中的独特优势，从某种程度来说，超算已经是国家实力的某种体现。
2019年6月公布的“第53届全球超算TOP 500名单”上，美国两台超级计算机“顶点”（Summit）和“山脊”（Sierra）包揽了冠亚军。值得一提的是，2018年的冠亚军也是这“两位兄弟”。同时，冠军Summit在2019年榜单上的性能峰值达到148.6PFlops，创下了新的超算记录。
2019年8月美国能源部和NASA宣布，美国超级计算机巨头之一的Cray已经获得一项价值6亿美元的合同，将为国家核安全局建造第一台超大型超级计算机，用于管理美国的核储备。消息续指，这台超级计算机名为ElCapitan，将是世界上已知速度最快的超级计算机。据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室称，ElCapitan的峰值性能超过每秒1.5 百亿亿次。按照这个发展趋势，ElCapitan会延续Summit的辉煌也不是没有可能。
日本的Fugaku超级计算机由日本理研研究所和日本富士通技术公司制造，Fugaku使用的是日本富士通定制的48核芯片，并包装了158976个。2021年3月9日，日本理化学研究所正式启用了超级计算机“富岳”（Fugaku，ふがく），其强大处理能力让人吃惊。
2014 年，富士通公司和 RIKEN 开始了 Fugaku 的设计与研制工作，总预算约1300亿日元。配置方面，Fugaku 由约400台计算机组成，每台重约2吨，高约 2 米、纵深约1.4米、宽约 80 厘米。Fugaku 采用48核富士通芯片 A64FX，是史上第一台基于 ARM 架构的超算。
1983年12月26日，我国第一台巨型机通过国家技术鉴定，并命名为“银河-I”，这意味着我国成为美国、日本之后第三个能独立设计和制作巨型机的国家。
此后，“银河-II”十亿次、“银河-III”百亿次巨型计算机接连问世，有力推动了相关领域，以及国防事业的发展。
2006年，新一代的“天河一号”开始研发，在这一代超算中，一种新的计算架构—CPU+GPU的异构融合计算体系结构--开始酝酿，这是一种全球首创的超算体系结构。在付出无数心血之后，历时4年，每秒运算1206万亿次峰值预算速度的“天河一号”一经问世就夺得了世界第一。
虽然仅仅在世界第一上停留了8个月，排名就下滑到第8名，经过两年的改进，“天河二号”超算就重返世界之巅，并连续6年蝉联冠军。
同时间，我国超算事业迅速发展，“天河二号”之后，“神威-太湖之光”再次获得了超算世界第一。目前，超算在我国发展迅速，截止2021年，虽然世界第一第二已经被日本、美国获得，但是超算500强榜单中，中国企业和政府制造的超级计算级达到了两百余台，已经超过美国，位居世界第一。
超算的下一个目标是E级超算，即每秒钟进行百亿亿次运算，随着运算能力的跳跃式发展，对于超算系统的可扩展性、成本、能耗、可靠性、IO性能等提出了巨大的挑战，但同时也可以为人类的科研能力提供更加强有力的支撑。
7、为什么没有国家或机构用超级计算机挖比特币？
超级计算机和挖掘比特币的矿机运行工作方式完全不一样，根本无法进行挖矿工作。他们一个是通用计算机，一个是专用芯片。或者说用超级计算机挖币是非常低效的，连基本的电费成本都覆盖不了。
超级计算机主要采用的芯片和通用CPU来进行双精度浮点计算，例如数值天气预报、流体力学、石油勘探等领域。而矿机挖币只需要进行一种模式的计算，目前多采用专用芯片进行工作量证明等计算。简单的说就是不停地拼凑字符串，计算SHA256哈希值，直到找到产生合适的哈希的字符串，这个字符串就是解。因此，用超级计算机的通用CPU处理单元挖矿是一件效率低下的工作，超级计算机不适合挖矿，或者说挖矿连电费都挣不回来。

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