超级计算机有什么用?都用在那些地方?

2022-06-04 20:35:46  信息编号：K218322  浏览次数：405

全球超算，唯快不破。但追逐超算的意义不仅仅是赢得速度之争，更重要的是要以超算“致用”，获得更多的科学发现。

被称作超算应用领域诺贝尔奖的“戈登贝尔”奖，从1987年建立以来，中国团队从未入围。今年，基于“神威·太湖之光”系统的三项全机应用已经入围，占全部入围数量一半。

超级计算机是科学家用来解决人类重要问题的工具。有效使用超级计算机，可在更短时间内完成重大研究。算天、算地、算人……嗯，你没有看错，科学家说，超级计算机还能**。

6月20日，德国法兰克福国际超算大会（ISC）公布了新一期全球超级计算机TOP500榜单，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”以超第二名近三倍的运算速度夺得第一。更令人振奋的是，该套系统实现了包括处理器在内的所有核心部件全国产化。新华社记者李响摄

算天：风中哪朵雨做的云？

气象台的天气预报准度一直在提升，这背后其实都是超级计算机的功劳。

北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院王兰宁教授，是中科院软件所与清华大学、北师大合作的“全球大气非静力云分辨模拟”团队成员之一。他从上世纪90年代从事气象预报员，到后来转型成为大气分析专家，预报天气的准头不断提升。

“下不下雨关键看云层运动，在没有超算之前，观测云层的精度是按照经纬度。有了超算之后，就可对云层运动进行精确模拟与观测。”王兰宁说。

为了提高观测进度，他十几年来追逐着超算发展的脚步。

2011年，他在天津的“天河一号”上实现了观测精度10万公里的目标；随后，他又在“神威蓝光”实现了1万公里精度；今年，他在“神威·太湖之光”上实现了9公里精度。如今，他又在向着3公里精度努力。

“如果能够盯着每一朵云，天气预报就将万无一失。”王兰宁说，当然，这还需要更强的超算能力支撑。

算地：既能找飞机，也能抓偷排

寻找MH370，是世界科技角力的战场。大量的卫星雷达集中对准南印度洋，当这些高科技眼睛采集到信息后，一个必经的环节是数据处理，担当这一环节的角色即是超级计算机。“只要有足够精确的相关数据，超算就能找到失事飞机。”清华大学地球系统科学研究中心副教授黄小猛说。

除了找飞机，还有更多接地气的事情倚仗超级计算机来解决。

建一栋楼对周边的环境到底有什么影响？如何建设风道便于污染物扩散？中科院深圳先进技术研究院正在国家超算无锡中心进行的一项课题，就是深圳市污染物扩散的模拟。通过超算模拟，可以根据目前污染物的情况，计算出未来一段时间的大气污染物浓度和分布，进行空气质量预报。从预报结果还可以计算出哪些污染源“贡献”最大，了解污染的来龙去脉，为污染防控提供决策指导。

“现在已经可以实现倒推排查究竟是哪个排放点导致了某次大气污染，未来将能够实现每个小区、每个居民点空气质量的准确预报。”中科院深圳先进技术研究院副研究员陈荣亮说。

算人：医疗应用前景广

模拟血流、模拟心脏、模拟人体任何一个部分，有了超级计算机，这些都不再是梦想。

近期，美国科学家利用世界前十的超级计算机，选取一名真人扫描其血管系统，通过3D建模技术建立动脉系统模型，成功地再现了整个人体的动脉系统。任何直径或宽度在1毫米以上的动脉血管都会出现在模型中，而且模型的分辨率达到了9微米。

只要运算核够多、速度够快，医疗工作者的诊断和治疗水平将大大提升，而科学的治疗手段更容易让患者接受。

陈荣亮近日也在利用“神威·太湖之光”对人体血流进行模拟与分析，例如可以及时有效地判定一个病人是否会发生脑梗塞的风险。

“过去，对一个可能发生脑梗塞病人，医院难以判断是否要进行支架手术，一般都会通过从大腿动脉处放进测压导丝进行测量，这种方式既危险又痛苦。如今，经过模拟计算，只要血流储备分数如果小于0.8，就要做手术。”陈荣亮说。

科学解决医患关系，从超级计算机开始。

**？算你和他人有什么不同

你对自己了解多少？好奇自己究竟是什么样的人？翻到星座运程时，半信半疑，但还是会瞄瞄和自己相关的那一页？人类最好奇的永远是自己本身。

超级计算机，在我们认识自己方面也能派上用场。

该功能的正式名称叫“个性特征服务”。美国的IBM超级计算机“沃森”近期宣布，通过对每个人2300条最新社交网络推文的解读，应用语言学分析方法归纳总结你的社交特性，然后将你与其他几十万甚至数百万用户进行比较，从而勾勒出你与众不同的个性。

“沃森”的分析程序如果由“神威·太湖之光”来做，是不是会更加准确？

“理论上是可以实现的，毕竟我国的超算已经达到了足够的分析能力。”长期从事超算应用的中科院计算机网络信息中心研究人员周纯葆说。只要科学家们的“脑洞”够大够好玩，设计礼服、设计创意食谱、设计任何你想得到或者想不到的玩意，超级计算机都有机会抢生意。

来源：网信中国                      

2021-03-20 150209

为你停留

超级计算机有什么用？都用在那些地方？

尽管超级计算机的研制和运营费用越来越高，但美、日等发达国家对此“挥金如土”，毫不吝啬。那么究竟是什么魔力吸引各国在超算领域持续“烧钱”呢？

左右情报战攻防

超级计算机的一个主要应用是在情报收集领域，为什么各国都去抢超级计算机的世界第一？因为它代表着对安全防护系统的破解能力。

中科院计算所研究员张云泉形容说：“你的超算能力一旦领先，就意味着你有能力配我家安全门锁的钥匙，甚至可以打开我家的任何锁，我家里所有东西都将处于不设防状态。”他解释说，超算能力领先后，对手的安全系统就要全面升级，“我原来能破解64位的密码，现在一升级，我就能破解128位的。如果不升级安全系统，你的整个密钥就失效了，我就能强行攻破，拿到你的情报。”

除了破解能力外，超级计算机还能用于筛选情报。美国国家情报机构的“棱镜”计划显示，美国花巨资收集各国的信息，其中包括普通民众的海量信息。这意味着需要有巨大的信息处理能力。特别是反恐等情报具有时效性，需要从天文数字的信息里尽快筛选出有价值的情报，这只能依靠超级计算机。

核武器安全离不开超算

张云泉说，对美国而言，超算的作用首先在研制核武器领域。加利福尼亚的利弗莫尔国家实验室、新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯国家实验室、圣地亚国家实验室、橡树岭国家实验室都参与了利用超级计算机维护美国核武库安全的工作。由于美国大批核弹头已经接近服役年限，而囊中羞涩的五角大楼希望延长其服役周期，这就必须通过超级计算机模拟预测这些核武器何时会失效，哪个部件需要更换。

由于《全面禁止核试验条约》已经生效，是否具备超级计算能力，标志着能不能继续发展下一代核武器。利用1945年到1992年美国进行的1054次核试验获取的数据，美国还通过超级计算机建立核爆炸数学模型，深入了解核爆炸的原理，进而研制新一代核武器。

带动信息化技术的火车头

在计算机行业内，超级计算机一直被认为是信息化发展的火车头。因为很多最先进的信息化技术，包括现在我们用的很多处理器技术、虚拟化技术、量子计算、新的存储器部件等，都是最早为超算领域服务，之后随着技术成熟、价格下降，才开始普及，用于服务器、个人电脑乃至的。

事实上，现在IT领域概念火热的云计算和大数据，其计算能力也来自超级计算的基础和演绎。云计算能同时运行大量的小任务，这些任务之间没有什么关系，在业内被称为高吞吐量的计算。大数据主要是做数据挖掘，以图算法为主。相比之下，超级计算的要求最高，它追求性能，要在最短时间内计算出单个任务。尽管形式不一样，它们背后都是对计算能力的要求，因此也可称为广义超算。

改变未来生活

张云泉认为，过去科学研究主要都是以理论分析、实验观察为手段，现在在尖端科研领域，已越来越多地利用计算模拟。他说，2013年诺贝尔奖中物理学奖、化学奖、生物医学奖3个领域都与超算有关系。

浪潮集团首席科学家王恩东表示，超算的计算结果最终的表现形式可能是重大科研课题的突破，也可能是创新性的产品，或者是制作精美的文化创意作品等等。而这些成果可以为人们带来更加便捷、科技化的生活，提升老百姓的生活质量。比如，医学领域使用超级计算机，既可以进行基因的测序，从根本上破解人类生命的“密码”，从基因修补的角度来避免很多先天性疾病，也可以在几百万药物成分中选择最合适的配比，进行新药物的研发。在智能穿戴设备走向普及之后，可以使用超级计算机对每个人的健康情况进行实时的监测，像感冒前兆、过度疲劳等各种很小的症状都会获得及时的提醒。

来源：成熟男士的读者文摘                      

2021-03-20 150113

秋雪

超级计算机有什么用？都用在那些地方？

超级计算机的实际应用非常广泛：

1、在天气预测应用：超级计算机在天气预测中的应用，可以大大提高天气预报的准确率，借助超级计算机预测气候变化，从而减轻气候变化给人类带来的破坏。

2、在交通行业应用：超级计算机可用来认识和改进汽车、飞机或轮船等交通工具的空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性，并帮助提高乘坐者舒适度、减少噪音等，这些都具有潜在的经济和安全收益。

3、在生物信息学和计算生物学应用：从基因学的数据密集型研究到细胞网络模拟和大规模系统建模的计算密集型，生物学显示出巨大的计算需求。超级计算机将帮助寻找疾病治疗的颠覆性的治疗方法。

4、在社会健康与安全的应用：采用超级计算机可对影响社会健康和安全的过程和系统进行模拟，比如，污染、灾难规划以及针对本地和国家基础设施进行的**主义活动等。

5、地震预测应用：对地震的模拟能帮助人类探索地震预测方法，从而减轻与地震相关的风险。

6、地球物理探测和地球科学应用：超级计算机在地球物理学中的应用涉及大量数据处理和模拟，如石油的勘测问题，此问题具有潜在和巨大的经济效益。

7、在天体物理学应用：超级计算机模拟是天体物理学的基础，它可模拟时间进程并加速这种模拟的进程，从而对天体的演变进行建模和理论试验。

8、在材料科学与计算纳米技术应用：对物质和能量的模拟是计算密集型的，可以发现具有很高经济效益的物质和反应。

9、在人类/组织系统研究应用：宏观经济学和社会动力学的研究同样需要超级计算机，比如对大量人口的行为进行模拟。

10、在模拟核试验应用：借助于超级计算机强大而快速的运算能力，在实验室实施的亚临界核试验，与真正核试爆的效果几乎是相同的。

中国超算的可贵之处在于全国产化。根据评估，中国的"天河"系列超级计算机国产化率是70%左右；济南超算中心的中国"神威蓝光"超级计算机国产化可达到85%以上；而中国"神威·太湖之光"的处理器则全部是国产的。

因此，美国劳伦斯伯克利国家实验室副主任西蒙曾经说，中国超级计算机系统的每一部件都是本土制造意义重大。

西蒙的实验室是超级计算机的主要用户，一直协助编制全球超级计算机500强名单。世界TOP500网站评论说：”神威·太湖之光的性能结束了中国只能依靠西方技术才能在超算领域拔得头筹"的时代。

美国《华尔街日报》称，"神威·太湖之光"是中国首台未使用美国芯片技术且运行速度排名世界第一的计算机。“此前位列第一的'天河二号'使用了英特尔公司研发的芯片，去年出台的一项美国出口禁令却使该系统未能获得升级所需芯片。"可见，中国依靠自主创新的重要性。

中国计算机专家张云泉接受《环球时报》说：美国的芯片禁运反而缩短了中国的研制周期，使我们搞出了完全自主的高性能处理器和完全自主可控的超级计算机，"西方的芯片禁运对中国可谓利大于弊"。

2015年，美国宣布对中国禁售高性能处理器。而一年之后，中国就自主研发出超级计算机神威·太湖之光。其原因首先是国家布局早，并且国防科大和江南计算所都是背景的研究队伍，国家对于超级计算机极为重视，列入了战略目标计划中。

没有压力就没有动力，很多事情都是逼得没办法，比如像美国对中国禁运，最尖端的部件不提供给你了，反过来刺激了中国必须采取自主开发、自力更生——专家说：美国人实际上干了一件很愚蠢的事情。

虽然如此，世界超级计算机的竞争是非常激烈的。比如在2018年6月，美国能源部OakRidge国家实验室（简称ORNL）公布了名为Summit的最新一代超级计算机，并宣称它是世界上最强大、最智能的超级计算机。根据ORNL官方网站的介绍，Summit在运算能力方面的特点如下：

最高能够实现每秒20亿亿次的计算峰值，是ORNL的上一代超级计算机Titan的8倍；

在特定应用中，Summit能够实现每秒330亿亿次（3.3exaops）的混合精度计算；

Summit能够为能源、前沿材料和人工智能等领域提供前所未有的计算能力，从而使得之前不切实际或不可能的运算成为可能。

Summit总重340吨，被放在一个9250平方英尺的房间里，它们通过长度为185英尺的光纤相连接，每分钟需要4000加仑的水来冷却，同时消耗的电脑可以给8100个美国普通家庭供电。

其实，超级计算机领域的”军备竞赛“对国际关系和地缘政治的影响同等重要。制造出最快超级计算机不仅关乎民族自豪感，还具备经济的、政治的和军事的重要作用。特别是超级计算机的用武之地非常广泛，不仅可用于大范围天气预报，还能够用于核武器的建模和设计。

曾经是世界上最快的超级计算机是中国的神威·太湖之光，其运算能力能够达到惊人的93 PetaFLOPS，即每秒执行93×10^15次浮点运算。

2018年，美国计划在田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）打造出超过神威·太湖之光的超级计算机。这台名为Summit的超级计算机的运算能力将达到200 PetaFLOPS，面对今年肆虐全球的新冠病毒，隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室称，其研究团队正在用全球最快的超级计算机对战新冠病毒。

据悉，该实验室研究人员利用IBM Summit（顶点）超级计算机，对8000多种化合物进行模拟，并筛选出77种小分子药物化合物。这些化合物可能值得在抗击新冠病毒的斗争中进一步研究。

Summit号称目前全世界最强大、最聪明的超级计算机。科技日报记者从IBM中国公司了解到，Summit超级计算机的峰值性能达到每秒20亿亿次浮点运算，在功能上比一百万台高端笔记本电脑还要强大。

在2018年11月12日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国达拉斯发布，美国超级计算机"顶点"蝉联冠军。2019年11月18日，全球超级计算机500强榜单发布，美国超级计算机"顶点"以每秒14.86亿亿次的浮点运算速度再次登顶。

因此，世界超级计算机的竞争依然是白热化的，甚至于有点”各领各领**数百年“之感，但中国超级计算机完全国产化，始终处于全球超级计算机的第一阵容，与美国第一之争也将会持续下去。

2019年世界十大超级超级计算机的具体排名

1、“顶点”（美国）

2、“神威·太湖之光”（中国）

3、“山脊”（美国）

4、“天河二号”（中国）

5、“代恩特峰”（瑞士）

6、“三一”（美国）

7、“ABCI”（日本）

8、“莱布尼茨”（德国）

9、“泰坦”（美国）

10、“红杉”（美国）

虽然Summit其计算能力已经超过了目前**的中国神威·太湖之光超级计算机。根据官方介绍，Summit的峰值计算能力可以达到每秒20亿亿次，比神威·太湖之光要快60%。其实，对于美国的反超也实属正常。

美国进入半导体产业时间比较早，其相关技术积累非常深厚，而且多年来一直垄断着TOP500超算冠军，不仅超级计算机算力高超，就连超算的数量也占据绝对优势。但更加可贵的是，最近10年，中国超算自力更生，在技术上奋起直追，强势入围TOP500的超算越来越多，甚至连续5年占据冠军位置，并且入围Top 500的超算数量也超过美国。

所以，对于后起之秀来说，相对不容易，未来中国超算再次反超的空间及概率仍然非常大，毕竟中国超算已经崛起，并获得过辉煌的战绩。

从TOP排名总体来看，中国超算的份额也是继续增加，较去年底的比重增加了0.8%，达到41.2%，美国则是再度衰退，仅剩24.8%。

中国是世界超级计算机的新生力量，超算之潜力十分巨大。暂时的反超势必引发更加激烈的竞赛，以中国科技发展势头，再次问鼎仅仅是时间问题！

英国广播公司(BBC)早在2017年曾经报道，根据对世界TOP500最高性能计算机所做的最新调查，中国已经取代美国成为世界上拥有超级计算机数量最多的国家。中国目前拥有202个全球最高性能计算机。相比之下美国只有143个，这是美方自25年前调查研究开始以来的最低水平，但美国仍保持第二位。日本拥有35个超级计算机位列第三，德国有20个排名第四。

很多人会问，为什么中国能建造最快的超级计算机却不用英特尔及高通之类的处理器？

这需要从战略层面来理解，因为超级计算机是重点国家顶尖工程，其过程往往会涉及到国家机密和战略安全，而且国家会不惜重金和人力大量投入，所以，能自主研发当然安全性更好。