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來源：互聯網

超級計算機（Supercomputer），別名高性能計算機、巨型計算機，是指一系列具有超強功能的計算機，專門為科學計算、工程應用和商業應用等需要以超快速度運算大數據量的項目而設計。通常指具有極快運算速度、極大存儲容量、極高通信帶寬的一類計算機。

20世紀60 年代，IBM 推出的IBM 7030 Stretch和Sperry Rand 公開的UNIVAC LARC是最早的兩臺超級計算機。世界上首臺商業的超級計算機名叫“CDC6600”，是控制數據公司（Control 數據 Corporation）于1964年研制。超級計算機自出現以來，受各國重視，對它的研究從未中斷。 2010年，“天河一號”登上全球超級計算機500強排行榜第一。2018年，美國能源部DOE的Summit登上全球超級計算機TOP500榜首。在2023年5月22日發布的全球超級計算機 500 強榜單中，美國的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的 Frontier 排名第一，也是地球上唯一的百億億次級機器。2023年12月20日，“FRONTIER”超級計算機系統入選中國工程院院刊《Engineering》評選的 “2023全球十大工程成就”。

超級計算機是一種通用算力，其設計目標是提供完備、復雜的計算能力，在高精度計算能力更強，應用范圍更廣，比如科學家常使用超級計算機進行行星模擬、新材料開發、分子藥物設計、基因分析等科學計算和大數據處理。

發展歷史

技術發展

1954年5月24日，貝爾實驗室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺晶體管計算機TRADIC，晶體管的發明為計算機的發展指明的方向，采用晶體管代替電子管成為第二代計算機的標志。相比電子管，晶體管體積小、重量輕、壽命長、發熱少、功耗低，電子線路的結構大大改觀，運算速度則大幅度提高。1958年，集成電路(IC)被發明，它將三種電子元件結合在一個小硅片上。科學家將更多的元件集成到一個半導體芯片上。因此，計算機變得更小，耗電更少，速度更快。1964年，美國IBM公司研制成功第一個采用集成電路的通用電子計算機系列IBM360系統。1964-1971年的集成電路計算機被稱為“第三代電子計算機”。1967年美國貝爾實驗室制成了第一塊大規模集成電路，1988年，16MB的動態隨機存取存儲器(DRAM)問世，一個芯片上集成了3500萬個管子，標志著集成電路進入特大規模集成時代，推動了計算機技術的發展。現在的超級計算機有時也被稱為并行計算機，因為超級計算機使用的是并行處理。并行處理(Parallel Processing)是指多個 CPU 在給定時間共同對單個計算求解，計算機系統中能同時執行兩個或多個處理的一種計算方法。這種算法能讓超級計算機同時處理多個任務，提高運算速度。

超級計算機發展

“超級計算(Supercomputing)”這一名詞在1929年《紐約世界報》關于“IBM為哥倫比亞大學建造大型報表機(tabulator)的報道”中首次出現。1943年，為解讀德國TUNNY電傳打字機密碼,布萊切利園引入英國郵政局研究站承建的巨人計算機（Colossus）。雖然不是完全意義的圖靈機，但起到決定性的作用。海軍軍械研究計算器(NORC)，由IBM在20世紀50年代早期制造，并于1954年12月2日正式交付給美國海軍。每秒能夠執行15000次完整的算術運算。1958年，CDC推出了西摩·克雷設計的1604計算機，這是首批全晶體管計算機之一，CDC 1604型計算機獲得了巨大的成功。

20世紀60 年代，IBM 推出了IBM 7030 Stretch，同時Sperry Rand 公開了UNIVAC LARC，這是最早的兩臺專門的超級計算機，其功能遠遠超過當時最快的商用電腦。1961年推出的IBM 7030 Stretch這款超級計算機所搭載的技術仍然被沿用至今。直到1964年，控制數據公司（Control Data Corporation）研制出了世界上首臺超級計算機“CDC6600，該超級計算機是超級計算數據中心的現代鼻祖。它被認為是第一臺成功的商用超級計算機。

1971年，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校計并由巴勒斯建造，它安裝在加利福尼亞州山景城的美國航空航天局艾姆斯研究中心。是當時使用中最快的機器的超級計算機也是第一臺大型并行處理計算機。1975 年 11 月，ILLIAC IV 連接到 ARPANET （阿帕網）供分布式使用，成為首臺可用的超級計算機。

1976年3月，克雷公司利用仙童公司發明的集成電路研制世界第一臺具有流水結構的單向量機超級計算機“Cray-1”，運算速度每秒2.5億次。從Cray-1誕生到80年代，Cray系列超級計算機一直盤踞在全球計算機處理速度之首。1985年，克雷公司推出的CRAY-2更是比CRAY-1功能強大了4～6倍，運行速度達到了每秒12億次的浮點運算。

20世紀80年代初，并行處理機開始較大量地進入市場。一開始多數采用SIMD和向量機方式。截止1990年之前美國在超級計算機領域一直處于領先地位，直到1990年日本超級計算機日本電氣SX-3/44R出現，超越了Cray系列，打破美國一家獨大的局面。

1992年，英特爾推出了Paragon超級計算機，它是歷史上第一臺突破萬億次浮點計算的超級計算機。緊接著，IBM的SP2、日立制作所的SR2201和SGI公司的Origin2000超級計算機先后出現。1993年6月，曼海姆大學漢斯、埃里克等人發起全球超級計算機TOP500排名榜。它以超級計算機的持續速度（linpack實測值）為基準，每年排名兩次，是全世界最具權威的超級計算機排名榜，有著“世界計算機奧林匹克”之稱。

1996年12月，SGI公司研制出一臺具有256個處理器的超級計算機安裝在美國國家實驗室。1995年，Cray T3E擁有2000多個處理器，到了90年代后，并行計算成為超級計算機主流。1996年12月11日，美國英特爾最近為美能源部開發出世界上速度最快的超級計算機，每秒可運算1.4萬億次，在超級計算機發展史上首次突破每秒萬億次大關。它可以在15秒內完成筆算需要25萬年、個人計算機需要運行2天才能完成的運算任務。1997年5月11日，國際象棋世界冠軍加里·卡斯帕羅夫與IBM公司的國際象棋電腦“深藍”的六局對抗賽中，“深藍”獲得勝利。

2000年，美國能源部的技術人員使用ASCI計算機，用于模擬核武器試驗。它一度是世界上運算速度最快的超級計算機，所使用的RS/6000 SP系統有每秒12萬億次計算能力，一共覆蓋了9920平方英尺的建筑面積，重212600磅，需要1.2兆瓦的電力。進入2000年之后，在超級計算機領域，日本和美國彼此成為最大的競爭對手。例如2003年世界前十名的超級計算機名單中，日本的“地球模擬器”排在榜首，后面全是清一色的美國產超級計算機。

2005年在巴塞羅那工業大學研制的超級計算機IBM生寒，是當時歐洲最快的超級計算機，可以使每秒40萬億次計算。截至2012年7月，SuperMuc(在嘉興慕尼黑附近的的戈特弗里德·萊布尼茨超級計算機中心)，是歐洲最快的計算機和世界上運算速度最快的計算機第四名，位于巴伐利亞州科學院。2013年中國研制的“天河二號”性能超過美國“泰坦”超級計算機近一倍，以每秒33.86千萬億次的浮點運算速度奪冠。2016年11月17日，在美國鹽湖城舉行的2016年全球超級計算大會上，中國科學院軟件研究所的應用成果“千萬核可擴展全球大氣動力學全隱式模擬”獲得國際高性能計算應用領域最高獎戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize），在2016年之前，美國、日本曾壟斷該獎項長達近30年。

2020年11月，公布的TOP500超級計算機榜單中，日本的Fugaku（富岳）超級計算機排名第一，該系統增加了6912個節點，處理器數量達到到了7630848個，性能也有提升，Rmax值從415530提高到了創紀錄的442010 TFlop/s。2022年5月30日，ISC公布了第59屆的全球超算TOP500榜單，位于美國橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的新型超級計算機Frontier以絕對優勢，成功超越日本的Fugaku，成為了全球首個真正的百億億次超級計算機。Frontier的計算設施占地 372 平方米，由 74 個 Cray EX 機柜組成，擁有 9,408 個節點，每個節點配備一個 AMD Milan “Trento” 7A53 Epyc CPU 和四個AMD Instinct MI250X GPU（GPU核心總數達到了37,632）。在2023年發布的第?61 期超級計算機 TOP500 顯示，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的 Frontier 仍然是地球上唯一的百億億次級機器，其 HPL 分數已經從 2022 年 11 月的 1.02 Eflop/s 提高到 1.194 Eflop/s，增長大約 17%。2023年，超級計算機根據歷年的比賽數據，對24賽季英格蘭足球超級聯賽排名進行了預測，預測結果是曼城繼續衛冕成功，阿森納足球俱樂部獲得第二名，曼聯排名第四。2025年2月，英國布里斯托大學科學家通過超級計算機模擬顯示，地球將在2.5億年后重新變回 Pangea Ultima（終極盤古大陸），氣溫上升、火山爆發以及嚴酷的氣候讓地球不再適合生存，包括人類在內的哺乳動物將迎來滅絕。

排名爭奪

全球排名

功能介紹

超級計算機是相對于大型計算機而言的一種運算速度更高、存儲容量更大、功能更完善的計算機。超級計算機通常每秒能運算5000萬次以上、存儲容量超過百萬個字節，性能很高。其基本組成組件與普通計算機并無太大差異，但規格與性能強大很多，具有很強的計算和處理數據的能力，主要特點表現為高速度和大容量，并且配備有豐富的、高功能的軟件系統和多種外部和外圍設備。普通的家用計算機由輸入設備，存儲器（存儲器可分為 2 種，分別為主存儲器和輔助存儲器），CPU（中央處理器）和輸出設備組成，而作為超級計算機的Frontier，它由74個專門建造的 HPE Cray EX 超級計算機機柜組成，其中包括超過9400個AMD CPU和超過37000個GPU、700 PB的數據存儲空間（可提供每秒5TB的峰值寫入速度）、能效液體冷卻（每分鐘可通過系統抽出約6000加侖的水）以及90英里（約145公里）長的網絡電纜。兩者的區別非常大，在性能方面有很大差異。超級計算機多被用于需要大量運算的工作，譬如天氣預測、氣候研究、運算化學、分子模型、物理模擬、密碼分析等等。

物理模擬

超級計算機和高性能計算技術的快速發展為第一性原理計算的發展提供了機遇，使其在凝聚態物理、化學、材料和生物等研究領域發揮著越來越重要的作用。在后摩爾時代，從頭算電子結構模擬成為理解現代信息技術的唯一方法。例如，中國科學技術大學入圍國際戈登?貝爾獎提名的超算應用成果 “2.5 Million-Atom Ab Initio Electronic-Structure Simulation of Complex Metallic Heterostructures with DGDFT”，參加了在美國得克薩斯州達拉斯市召開的全球超級計算大會（SC22）的線上答辯，報告了中國科大在新一代神威超級計算機上采用低標度高精度第一性原理計算軟件DGDFT首次實現250萬原子復雜金屬異質結（鋰鈉金屬合金）的超大規模材料模擬。通過輸入材料的結構信息，利用量子力學的第一性原理計算就可以較為準確地預測已知材料的基態結構和基本的物理化學性質，并實現原子級別的精準控制。這種方法不需要開展真實的實驗，不僅可以極大地節省實驗成本，縮短新材料的開發周期，而且可以為材料的制備和改性、新材料的開發，以及對極端環境下材料性質的研究提供有效的理論指導。

天氣預報

超級計算機在觀測資料的收集和分析，以及數值天氣預報這兩個天氣預報的關鍵環節中起著至關重要的作用。大氣觀測數據來自地基和天基觀測。地基觀測主要包括常規氣象觀測站對溫度、氣壓、濕度、風的觀測，以及雷達獲得的雷達回波信息。天基觀測主要利用極軌衛星和靜止衛星獲取衛星發射率信息。將紛繁復雜的觀測數據按順序整理出來，再與常規數據結合，調整到最接近真實情況的大氣狀態，都需要超級計算機的有力支持。2018年，美國國家氣象局超級計算機能夠計算8.4 petaflops(相當于每秒執行840億次計算的能力)。到2021年底，該組織已經升級到12.1萬億次計算機。根據美國颶風中心過去二十年的統計，預測風暴路徑的誤差已經從2005年的100英里(160公里)下降到2020年的(104公里)。48年一遇的風暴強度預測結果在此期間也將減少20-30%的誤差。

地震監測

超級計算機被應用于地震預防預測中，首先通過深度學習歷史地震數據，通過人工智能地震監測系統“智能地動”可以監測到微弱地震波信號，并在兩秒內報出地震參數信息。之后借助超級計算機，可以將災害模擬評估的區域擴的更廣、使精確度更高。有了超級計算機，只要輸入監測到的地震數據，就能快速生成所在區域房屋破壞分布圖，依托超級計算機強大的計算能力，對區域內城市群進行震害分析就會快很多。在2017年11月17日，全球超級計算大會在美國丹佛舉行，由中國科研團隊完成的“非線性地震模擬”再獲“戈登貝爾”獎。憑借“神威·太湖之光超級計算機”的強大計算能力，中國團隊成功地設計實現了高可擴展性的非線性地震模擬工具。該工具首次實現了對唐山地震發生過程的高分辨率精確模擬，對未來地震預防預測等具有重要的意義。

天文領域

虛擬宇宙實際上是一種定量的計算機模擬。通過檢索模擬數據，可以獲取任何時間點上的模擬星系的信息和演化過程，也可以對其進行統計上的數據分析。計算機模擬是現代宇宙學研究不可或缺的手段。橡樹嶺國家實驗室2023年4月26日消息，在美國明尼阿波利斯市舉行的美國物理學年會上，三組新宇宙學模擬代碼被公布：

HACC/CRK-HACC

HACC即硬件/混合加速宇宙學代碼，是一個成熟的宇宙模擬程序，主要研究暗區的大規模結構形成，包括暗能量、暗物質、中微子和原始漲落的起源。它最大的目標之一是為當前的大規模、大結構形成的探查提供探查級的模擬目錄，這一目標的實現必須依賴E級超算系統。

Cholla

Cholla最初由亞利桑那大學的一名博士在2014年開發，后續優化得到加速申請中心（CAAR）項目的支持，現已從純流體動力學代碼轉變為天體物理學代碼。Cholla最終目標是能夠模擬一個銀河系大小的星系，并解析單個超新星爆炸問題。到目前為止，人們只能在微小星系上實現這一點，因為分辨率要足夠高才能完成整個銀河系星系的模擬。這需要E級超算才能完成這項工作。

Parthenon

Parthenon由洛斯阿拉莫斯國家實驗室和漢堡天文臺的研究人員開發，其核心是一種基于網格模擬的自適應網格優化代碼，僅在模擬網格的特定區域中優化分辨率，從而提高計算的速度和準確性。

軍事領域

超級計算機在軍事領域的應用，能夠使作戰計算精度更高、耗時更短。拿輔助指揮決策為例，從海量戰場情報中獲取目標信息，選擇最優方案等都需要超級計算機的幫助，而且還可以大大縮短決策周期。除此之外，裝備研發時需要評估其極端環境適應能力，有了超級計算機，可以大大縮短這一時間。

又例如數據分析方面，戰爭隨著軍事現代化步伐加快，發展為陸、海、空、天、電多維空間立體戰爭。在新的戰場環境下，戰場數據量爆發式增長，數據類型繁多，對數據處理能力和處理速度提出更高要求，而普通計算機的處理速度無法滿足需求，但是超級計算機可以快速處理這些信息，提取作戰需要的實時態勢信息，輔助作戰決策，有巨大作用。

在醫療方面，利用超級計算機可建立基因數據庫，進而為軍人建立完善的醫療檔案。這樣，在戰場救治時，就能做到針對特定的人進行治療，提高救治效率。

超級計算機應用于裝備換代方面。例如飛行器外形是否符合空氣動力學，能否充分發揮升力效能，都需要經過風洞驗證，過程耗資巨大。如果采用超級計算機模擬風洞試驗，就能快速得到關鍵技術參數，不但能加快軍事裝備研發速度，而且能節約研發成本。

模擬核爆炸試驗，是超級計算機重要應用之一。核爆炸試驗對檢驗、保持和提高核武器的性能，及發展新型核武器都具有非常重要的作用，但它會對環境和人類生存產生巨大影響，目前核爆炸試驗的替代方式是亞臨界核試驗，科學家將亞臨界核試驗得出的數據，與以前多次核爆炸試驗中搜集到的數據綜合在一起，進行建模并模擬分析，得出來的結果與核爆炸試驗的效果基本相同，以此進行模擬核試驗。這樣龐大的數據計算量只有超級計算機才能完成。美國曾利用1945年至1992年進行的1054次核爆炸試驗數據，通過超級計算機建立核爆炸模型，研制新一代核武器。還可以利用超級計算機預測核武器否失效時間。

醫療領域

可以縮短藥品開發時間，開發一種新的藥品，通常從研制和試驗需要經過很多步驟，一般需要大約15年的時間，而利用超級計算機則可以對藥物研制、治療效果和不良反應等進行模擬試驗，從而將新藥的研發周期縮短3～5年且可顯著降低研發成本。在疫情期間，超算也發揮了重要作用，例如超算為查找、排查疑似病例等提供了有力支撐，利用超級計算機搭建的疫情大數據應急監測平臺，也成功預警多起高風險地區人群輸入事件，有力支持突發疫情的防范。

石油勘探

石油勘探，采用的方法是地震勘測，即在地面進行爆破后，用探測儀器檢測和采集震動反射波的大量數據，通過對這些數據計算、處理和分析結果確定地下儲油的位置。石油勘探中大量數值的快速計算、處理和分析，必需由高性能的超級計算機完成。地震勘探是鉆前勘探油氣資源的重要手段，包括地震采集、處理和解釋。其中，處理這些數據，需要使用高性能超級計算機。處理的質量和地震成像的準確性和清晰度直接決定了油氣資源發現的成敗和勘探的成功率。

建成與維護

首先超級計算機體積巨大，因此擁有一個足夠大的建設場地是建立超級計算機的第一步。同時，要建超級計算機還需要配備一個較高級別的數據機房。再者，超級計算機的能耗較大，大量的電力和水利設施也不能少，可以為超級計算機提供能源方面的支撐。例如在2019年6月發布的超級計算機TOP500榜單上，性能排名第一的Summit超算其功耗達到了10096kW。通俗點來說，就是以每小時消耗100瓦的個人電腦來做對比，其相當于十萬臺電腦的耗能，以交通工具來對比，其能耗約等于350公里時速行進的高鐵。

在超級計算機建成后，還需進行后期維護。首先是配套設施的維護。超級計算機因為配備有大量的水力和電力設施，這些配套設施需要水電工進行定期的維護。第二是對超級計算機本身的機器維護。需要工作人員不定時對設備進行檢修和清潔，還需要對設備加液以保證全浸沒式液冷技術的正常工作。

每臺超級計算機都有其獨特的維護方式，以“烏鎮之光”超級計算機為例。“烏鎮之光”采用的散熱方式是全浸沒式液冷技術。“烏鎮之光”主板上的內存條、硬盤加速器等機器部件都被浸沒在液體中，通過液體的冷熱循環對機器進行降溫。此種降溫方式不僅可以提升機器的使用壽命，而且能夠大幅減少機器功耗，延長機器使用壽命。

發展現狀

與AI相結合

超級計算機正在不斷與AI相結合，美國社交媒體Facebook母公司“元”公司正建造其首部超級計算機，可能有助于臉書利用人工智能（AI）技術管理巨量網帖。“元”公司2022年1月24日宣布名為“AI研究超級集群”的超級計算機，這部計算機將用于AI研究項目。2023年5月29日，英偉達CEO黃仁勛介紹了超級計算機DGX GH200，DGX GH200是一款大內存AI超級計算機，可用于支持生成式AI、數據處理的巨型模型。法國政府新購置一臺超級計算機，除用于氣候、材料和生物學等領域的研究外，還將用于人工智能研究。這臺超級計算機名為HPC-IA，每秒鐘可以進行1.4億億次的運算，這臺超級計算機可以幫助研究人員優化人工智能算法，測試人工智能在某些情況下的應用極限。

億億級計算機

億億級計算機又稱E級超級計算機，是每秒可進行百億億次數學運算的超級計算機。據《新科學人》雜志網站5月31日報道，國際超級計算組織宣布，位于美國橡樹嶺國家實驗室的超級計算機“前沿Frontier”在2022年國際超級計算機500強榜單中獲得第一名，成為當今世界上最快的超級計算機，計算能力為每秒1.1百億億次，是第一臺每秒能夠進行百億億次浮點運算的計算機。普通筆記本電腦每秒只能進行幾萬億次運算，而前沿的超級計算機運行速度超是普通計算機的一百多萬倍。因此又被稱E級超級計算機。2023年12月20日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室與 AMD 合作建造的“FRONTIER”超級計算機系統入選中國工程院院刊《Engineering》評選的 “2023全球十大工程成就”。

π系統

超級計算機π系統23日在上海交通大學投入運行，將支持俗稱“人造太陽”的慣性約束聚變項目等高端科研項目。“π”系統將主要支持上海交通大學的教學和科研，并將成為IFSA慣性約束聚變科學與應用協同創新中心超級計算的核心支撐平臺。目前，慣性約束聚變(ICF)是一項世界性的科技挑戰，美國、日本、俄羅斯和歐盟都積極參與，目的是在可控范圍內實現聚變，和平利用人類的終極能源——聚變能。據悉，“π”系統的峰值性能已經達到263萬億次，在最新的全球500強榜單中排名第158位。