什么是超级计算机？

引言

超级计算机是为处理具有挑战性的计算而设计的强大计算机。它们包含多个中央处理单元，这些单元将必要的任务分解成几个部分，并同时处理它们，从而实现高速计算。FLOPs，即每秒浮点运算次数，是衡量超级计算机性能的指标。

什么是超级计算机？

超级计算机是世界上最快的计算机，能够快速处理大量数据。与通用计算机相比，超级计算机具有极高的计算性能。衡量超级计算机计算性能的单位是每秒浮点运算次数（FLOPS），而不是每秒百万条指令（MIPS）。

它们已经从网格计算过渡到大规模并行集群系统。集群系统计算是指在一个系统中同时使用多个处理器，而不是使用一个由不同计算机组成的网络。

这些计算机在尺寸上非常庞大。即使是最强大的超级计算机，也可能占据几百平方英尺或更小的空间。超级计算机价格极其昂贵，价格从20万美元到1亿多美元不等。

历史发展

超级计算之路始于20世纪50年代末，当时美国政府开始持续提供资金，支持高性能计算机技术的发展，主要侧重于军事用途。

由 **Seymour Cray** 在曼彻斯特大学与 Atlas 超级计算机一同开发，超级计算机首次使用是在 **20 世纪 60 年代**。世界上第一台超级计算机 **CDC 1604** 由 Cray 设计，它使用晶体管取代了真空管。中国国家并行计算机工程技术研究中心（NRCPC）在中国无锡市建造的“神威·太湖之光”超级计算机，以 93.01 peta flops 的高性能 Linpack（HPL）标记，再次保持了其在排名中的领先地位。

关键事件

• 首次成功的向量处理实现是 Cray-1，于 1976 年推出。
• 1985 年，四处理器 Cray-2 成为第一台突破十亿 FLOPS 的计算机。
• IBM 制造的 Roadrunner，拥有超过 1000 TFLOPS 或 1 petaFLOPS。

最新超级计算机

• 根据 TOP-500 超级计算机榜单，IBM Summit 目前是世界上最快的超级计算机。
• Sierra，另一台美国超级计算机，最高速度为 125 petaFLOPS，紧随其后。
• 榜单上其他值得注意的超级计算机包括日本东京的 AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI)，美国奥斯汀的 Dell Frontera，瑞士卢加诺的 Piz Daint，中国无锡的 Sunway TaihuLight，以及中国广州的 Tianhe-2。
• 中国拥有两台超级计算机，而美国在十大榜单中占据五席。

印度的超级计算机

1. 1987 年，美国拒绝了印度购买 Cray X-MP 以用于天气预报和学术研究的请求，这迫使印度推进了其超级计算计划。
2. 参与的机构包括：国家航空航天实验室 (NAL)、巴哈原子研究中心 (BARC)、先进计算发展中心 (C-DAC)、电信发展中心 (C-DOT) 和先进数值研究与分析小组 (ANURAG) 在这方面发挥了主导作用。
3. C-DOT 创建了名为 CHIPPS 的高性能并行处理系统。
4. Anupam 系列的超级计算机由 BARC 开发。
5. PACE 系列的超级计算机由 ANURAG 开发。
6. 位于印度浦那的先进计算发展中心 (C-DAC) 负责创建和组装 Param 系列超级计算机。
7. C-DAC 成功交付了一台 GigaFLOPS 级别的并行计算机 PARAM 8000。其发布年份为 1991 年。
8. 1993 年推出了 PARAM 9000 系列，最大处理能力为 5 GFLOPS。
9. PARAM 10000 系列于 1998 年在 LINPACK 基准测试中实现了持续 38 GFLOPS 的性能。
10. 目前，印度最快的超级计算机是 AI 超级计算机 AIRAWAT 和 PARAM Siddhi-AI。截至 2023 年 6 月，AIRAWAT 在全球排名第 75 位。

国家超级计算计划：2015 年，电子信息技术部宣布计划作为国家超级计算计划 (NSM) 的一部分，在 2022 年前全国安装 73 台国产超级计算机。

该计划的主要目标是创建国家知识网络 (NKN)，这是一个由高速网络连接的地理分散的高性能计算中心集合。它旨在提高印度学术和研究机构在其专业领域的高性能计算能力和实力。

它是如何工作的？

超级计算机的架构由多个中央处理单元组成。这些CPU由内存和计算节点组成。超级计算机中可以找到数千个这样的计算节点，它们通过并行处理相互通信来解决问题。

多个并行处理数据的并行计算机构成了最大、最强大的超级计算机。大规模并行处理和对称多处理是并行处理的两种基本方法。有时，超级计算机是分布式的，这意味着它们不将所有 CPU 集中在一个地方，而是利用分布在不同区域的许多独立的网络化PC的处理能力。

世界上最快的超级计算机

1）Frontier

Frontier 位于田纳西州的橡树岭国家实验室，是历史上第一台突破百亿亿次（exascale）的超级计算机，拥有 1.1 exaFLOPS 的计算能力。换句话说，它每秒可以完成十亿亿次计算。它由 74 个 HPE Cray EX 超级计算机柜组成，每个柜子重约 8000 磅，其算力比排名前七的超级计算机加起来还要强大。据实验室估计，地球上的每个人需要四年多的时间才能完成 Frontier 一秒钟就能计算出的问题。

2）Fugaku

在 2020 年进行软件升级后，Fugaku 的峰值性能达到了 442 petaFLOPS，超过了其首秀时的 416 petaFLOPS，曾连续两年获得世界第一。它采用 158976 个节点的富士通 A64FX 微处理器构建。这座超级计算机存储在日本神户的理化学研究所计算科学中心，其名称来源于富士山的另一个名字。

3）Lumi

Lumi，欧洲最快的超级计算机，由十个欧洲国家组成的联盟创建。这款占地 1600 平方英尺、重 165 吨的计算机，峰值性能为 550 petaFLOPS，可以持续处理 375 petaFLOPS 的数据，相当于 150 万台笔记本电脑。它也是目前市面上能效最高的型号之一。Lumi 位于芬兰卡亚尼的 CSC 数据中心，当地气候使其保持凉爽。它还利用其废热为周边地区供暖，占该地区供暖的 20%，并且完全使用无碳水电运行。

4）Leonardo

这座百亿亿次超级计算机 Leonardo 位于意大利博洛尼亚的 CINECA 数据中心。该系统占地 2000 平方英尺，配备了超过 13800 个 Nvidia Ampere GPU 的 Atos BullSequana XH2000 计算机，分为三个模块——增强数据中心、前端和服务器模块。在最佳性能下，处理速度达到 250 petaFLOPS。

5）Summit

Summit 于 2018 年首次亮相，成为当时世界上最快的计算机，目前最高速度为 200 petaFLOPS。该项目由美国能源部资助，由 IBM 在 3.25 亿美元的合同下运营。这座占地 9300 平方英尺的机器被用于使用人工智能、材料科学和基因组学来预测中微子寿命，以及模拟地震和极端天气条件。与 Frontier 类似，Summit 也托管于田纳西州的橡树岭国家实验室。

超级计算机的重要性

1. **协助人工智能研究：** 人工智能和机器学习需要巨大的数据处理能力，它们依赖于超级计算机。微软和英伟达等公司开发专门用于人工智能任务的超级计算机。例如，NVIDIA 的 Perlmutter 和微软的 Turing NLP 框架。
2. **数学问题模拟：** 超级计算机模拟药物相互作用、天气和恒星形成等领域的相互作用，帮助企业和科学家测试创新并做出数据驱动的决策。
3. **并行处理：** 通过利用数千个处理器，超级计算机使用大规模并行处理来分解和并行解决问题，从而加速任务。
4. **预测未来事件：** 通过分析海量数据集，超级计算机可以预测人类行为，改善天气预报，并预测社会动荡、战争和起义。
5. **识别网络威胁：** MIT 的网络流量研究表明，超级计算机可以快速处理海量的原始互联网数据，使其能够比传统计算机更快地识别网络安全威胁。
6. **推动科学发现：** 超级计算机在提高情报、健康、国家安全、天气预报等领域发挥着关键作用，不断影响着各行各业的发展。

超级计算机的应用

1. **生物学领域：** 超级计算机主要用于诊断各种疾病，并有助于中风、脑损伤和其他身体血液循环问题带来积极的治疗效果。
2. **国防和军事任务：** 超级计算使得对核爆炸和武器弹道的虚拟测试成为可能。
3. **气候模式：** 超级计算机的应用可以分析和理解气候模式。
4. **航空业：** 超级计算机被用于为新手飞行员创建飞行模拟器，以帮助他们进行训练。
5. **天气预报：** 美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 使用一台超级计算机收集用于天气预报的数据。NOAA 系统可以执行任何简单的逻辑指令。
6. **科学研究领域：** 超级计算机对于分析来自绕地球运行的卫星的数据、探索太阳系以及核研究、天气和科学研究等其他领域至关重要。
7. **高级数据库中的数据挖掘：** 某些大型组织需要超级计算机从云存储系统或数据存储设施中检索有价值的数据。例如，保险提供商。
8. **金融市场：** 在当今的在线货币市场，如股票市场和比特币，超级计算机对于实际的财务成功至关重要。
9. **模拟汽车内部环境：** 人们可以在购买汽车前，通过超级计算机提供的模拟环境进行试驾，从而辅助购车。

超级计算机的未来

随着英伟达 (Nvidia)、微软 Azure (Microsoft Azure) 和亚马逊网络服务 (Amazon Web Services) 等公司推出自己的超级计算机，高性能计算和超级计算机市场正在不断增长。随着人工智能能力在从制造业到预测医学的各个行业中普及，HPC 的重要性日益增加。

根据 Precedence Research 在 2023 年 8 月发布的一份报告，2022 年超级计算机市场估计价值 88 亿美元，预计在 2023 年至 2032 年期间的复合年增长率为 11%，到 2032 年将达到约 250 亿美元。

目前，超级计算机市场关注的重点是实现百亿亿次（exascale）处理能力。百亿亿次计算可能打开比当今最新超级计算机更强大的可能性。预计百亿亿次超级计算机将能够生成一个精确的人类大脑模型，包括突触和神经元。这将对神经形态计算领域产生重大影响。

随着计算能力的持续指数级增长，拥有数百 exaFLOPS 的超级计算机可能会成为现实。随着人工智能 (AI) 在企业计算中的作用越来越大，超级计算机正变得越来越普遍。

超级计算机的好处

• **增强安全性：** 为了您的安全，超级计算机可以快速解密您的密码。
• **按工作量计价，成本不再昂贵：** 由于超级计算机能够快速完成大型任务，越来越多的企业选择按需使用。
• **在电影制作中的应用：** 超级计算机功能强大，能够制作出效果出色的动画。
• **虚拟测试：** 鉴于实时测试会带来更大的环境风险，超级计算机使我们能够对核武器和其他有风险的医疗程序进行虚拟测试。

超级计算机的缺点

1. **物理尺寸：** 超级计算机是大型设备。因此，它们需要大量空间。通常，一台超级计算机占据的空间超过 1000 平方英尺。
2. **维护：** 要监控故障和计算机的总体使用情况，需要专门的软件和知识。
3. **存储：** 超级计算机必须有足够的存储空间来容纳所有生成的数据，才能发挥其最大潜力。存储空间不足会阻碍超级计算机进行计算。
4. **散热：** 超级计算机拥有大量处理器，每个处理器在运行时都会产生大量热量。由于这种热量，大多数设备容易发生故障。
5. **功耗：** 超级计算机通常消耗大量电力。超级计算机通常需要 4 兆瓦 (MW) 的电力。

常见问题解答 - 超级计算机

1. 描述一下超级计算机。

超级计算机是强大、高性能的计算机系统，能够将任务分解成多个部分并同时处理。这使它们能够快速处理大量数据并执行复杂的计算。

2. 超级计算机的用途是什么？

超级计算机经常用于通过复杂的建模和模拟进行预测。这在太空探索、基因组测序、气候研究和天气预报等领域都有应用。

3. 超级计算机与普通计算机有什么区别？

超级计算机可以同时执行多个任务，而普通计算机一次只能执行一项任务。此外，与消费类计算机相比，超级计算机更大、更快，并且拥有更强的处理能力。

4. 世界上最快的超级计算机是什么？

截至 2024 年，**Frontier** 是世界上最快的超级计算机，每秒的计算能力超过一 quintillion（百亿亿）次。这台由 Hewlett-Packard Enterprise 制造的超级计算机位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室。

5. 谁发明了超级计算机？

**Boris Babayan 和 Seymour Cray** 是最早发明超级计算机的人。

6. 印度有多少台超级计算机？

在国家超级计算计划下，目前有 18 台超级计算机，另有 9 台计划中。