[科普中国]-中国超算全面统治全球500强榜单

2017年11月14日，国际TOP500组织发布的超级计算机性能榜单显示，中国制造的新型超级计算机“神威·太湖之光” 持续占据首位。同时，它还和“天河二号”第三次携手夺得前两名。这次榜单的第三名是来自瑞士国家超算中心的升级版Piz Daint，美国则20年来首次无缘前三。

令国人为之兴奋的成绩不止于此，这次榜单中，**中国上榜超级计算机系统数量第一次超越了美国，并且在数量上对美国形成了压倒性的202 比143。**要知道在6个月之前，这个数字还是美国169 vs 中国160！中国上榜超算系统的暴增也令美国上榜的超级计算机数量降至25年来的最低水平。

此外，中国在总体性能（aggregate performance）这一指标上也超过了美国。目前，中国占TOP500榜单浮点计算力的35.4%，美国以29.6%位居第二。短短半年时间，中国在总体上和尖端领域都实现了对美国的压制。超算与高铁一样，正在成为中国科技实力和工业能力的新名片。

图1. 神威·太湖之光超级计算机（图片来源于网络）

下面是与这次榜单相关的一些数字。

**202****部：**在全球超级计算机TOP500榜单中，中国以202部居首，超越美国的143部。

**605****平方米：**作为连续三届的榜单霸主，神威·太湖之光超算的占地面积达到605平方米，假如你家房子的面积是一百平方米，这台超级计算机是其6倍左右。

**40960****块：**整台“神威·太湖之光”共有40960块处理器，这种处理器就是我们自主设计生产的国产芯片——“申威26010”众核处理器。

12.5****亿亿次：“神威·太湖之光”的运算峰值能达到12.5亿亿次，是世界首台峰值运算速度超过10亿亿次、并行规模超千万核的划时代新型超级计算机。

**32****年：**这套系统1分钟的计算能力，相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算32年。

**200****万：**如果用2016年生产的主流笔记本电脑或个人台式机作参照，‘“神威·太湖之光”相当于200多万台普通电脑。

**18****亿元：**这台计算机的造价约2.73亿美元，约合人民币18亿元。

图2 神威·太湖之光超级计算机（图片来源于网络）

超级计算机由于具备多个并行的高速运算核心，能够实现远远高于一般计算机的运行速度。由于普通人较少接触实际应用超算的行业或者领域，对超算的作用缺乏感性认知，因此经常会觉得超算与我们的生活有强烈的距离感。

实际上，**超算对日常生活的影响可能远超你的想象。**目前超算系统中常见的计算模型有：天气预报模型、地球模拟器模型、飞行模拟器模型、分子蛋白质折叠模型和神经网络模型。

看过下面的几则超算应用，相信你会感受到超算离我们并不遥远，反而可能早已渗透到我们生活的方方面面。

1. “竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知”——利用超算结合气象观测大数据，提高对天气预测和环境事件预报的准确度

只要有算法和模型，所有计算机都可以进行天气事件的预测，问题是能有多准确。天气预报精准预测的核心困难，简单说就是计算量太大了，影响最终结果的参数太多，太复杂，导致这个模型非常敏感。貌似随机的天气情况是由巨量的动态参数决定的：湿度、压力、海拔、地形。唯有超算才能够胜任规模如此庞大的计算任务。

例如，我们可以借助超级计算机实施高精度模拟实验，并结合对实际气象灾害进行观测获得的大量数据来对天气这个复杂系统进行高精度的解析。

在开发可以迅速预报局部地区暴雨和龙卷风等突发灾害技术的同时，超级计算机还可以推断这些极端天气现象对于人和建筑物的危害程度，甚至还可以预测数周乃至数十年范围内台风的发生情况。

图3 超级计算机可以推断这些极端天气现象对于人和建筑物的危害程度（图片来源于网络）

此外，通过监测被人类活动排放到大气中的微粒子以及温室气体，pm2.5等物质含量以及分布的变化状况，超级计算机可以协助模拟这些物质对于天气和环境施加的影响并对其趋势加以预测。

例如，在欧洲，入侵物种豚草目前被限制在意大利北部和法国南部地区。不过，据计算机建模预测，到2050年，它将出现在包括德国、乌克兰、罗马尼亚和法国剩余地区在内的欧洲东部和北部。

与全球变暖趋势同步，不断上升的气温使豚草入侵欧洲东部和北部地区的时机已经成熟。更长的夏季意味着更多的豚草将完成其生命周期，并且产生成熟的种子。而大气中额外的二氧化碳将为这种植物提供养分，帮助其产生更多的花粉，而豚草的花粉极易诱发花粉过敏及其它呼吸道疾病，不仅侵害当地生态系统，更给人类健康造成重大威胁。根据计算机模型的预测结果，豚草成为欧洲生态灾难的可能性和严重性已经超过人类预期，亟待采取措施改变这种趋势。

图4. 豚草及其花粉的威胁（图片来源：Inra-Dijon）

2. “飞流直下三千尺，疑是银河落九天”——能源产出、转换、储存相关的高效计算

对于全世界来说，能源问题都是最重要的课题之一。科研工作者正在致力于利用超级计算机进行与能源的制造、储存和能源合理利用相关的模拟实验。

例如，利用超级计算机模拟核反应堆运行，可以帮助研究人员更好地了解反应堆的性能，这比以前的方法具有更高的可靠性。最终的目标是提高功率、延长反应堆寿命和减少废物。

目前数字化的电站设计和建造已经在世界各地开展。电站核心的能量产生装置（水轮机、汽轮机、核反应堆等）和部分能量转换反应（煤炭、生物质能燃烧、核裂变等）在理想状态下的模拟实验已经可以通过计算机来完成。

美国西屋公司和先进轻水反应堆模拟仿真联盟（CASL）利用CASL的虚拟环境应用(VERA)程序对西屋公司AP1000反应堆堆芯进行物理模拟。VERA通过产生3D高保真功率密度分布来呈现启动时的预期工况。通过并行使用24万个计算单元，可以模拟1万亿个粒子来降低统计误差。该项研究将有助于提高对堆芯情况的理解，以确保反应堆的安全启动。

图5. 轻水反应堆模型（来源：Kevin T Clarno）

3. “绿水青山枉自多，华佗无奈小虫何”——通过分子尺度的复杂系统模拟，助力疾病机理研究和新药开发

用理论方法分析大分子的结构动力学，可以为生物学实验提供对比分析。然而，当我们试图用物理化学原理来解答分子折叠、催化、分子间通过特异性等问题时，由于生物分子体系由成千上万的原子构成，它们的结构和动力学通过大量的范德华力、疏水、氢键等物理化学的弱作用来维系，在微观上缺乏均一性，这使得我们很难在生物大分子的研究中应用理论分析工具。

图6. 计算机设计的蛋白质和非天然折叠体（来源：BY-NC-SA）

而计算机分子模拟技术的发展，为解决这些问题提供了很好的帮助。比如核磁共振实验数据的结构修正、基于同源结构的3D建模、蛋白质复合物结构预测等等。

五十年前, 蛋白质折叠问题作为基础科学的巨大挑战而诞生，从那时起, 我们对它的理解大大加深了。由此引发的成果, 包括已经建成的超过80,000个蛋白质结构的数据库，生物分子模拟力场，基于可折叠聚合物的材料科学的新领域等都得到了发展。

**超算还可以帮助我们从分子层面理解疑难疾病的致病机理。**如阿尔茨海默症、帕金森氏症和II型糖尿病等所谓的蛋白质折叠疾病。

图7 超算还可以帮助我们从分子层面理解疑难疾病的致病机理，如阿尔茨海默症（图片来源于网络）

在此背景之下，现代制药行业也已经广泛采用了超级计算机作为手段，预测药物成分与致病因子之间的结合与药理反应，从而大大提高筛选有效药物成分的速度。利用超算强大的运算能力，拉网式排查也变得简单起来，从而有望发现通过改良已知化合物的方法所不能得到的、新颖度较高的候补化合物结构，再设计实验来尝试对其进行合成。

同时，通过对生物体内蛋白质和新药候补化合物间药理作用的高精度模拟实验，甚至可以事先预测其药效和副作用，从而避免不必要的动物实验。

**4. “**天生我材必有用，千金散尽还复来”——支撑下一代IT产业发展的新功能设备以及高性能材料的开发

我们赖以生存的IT社会的发展，是由高性能材料和新功能设备的设计开发所支撑的。计算机的应用极大地改变了设计的技术手段，改变了设计的程序与方法。与此相适应，设计师的观念和思维方式也有了很大的转变。

传统的材料以及设备开发耗费大量的时间以及人力物力，存在盲目性和低效性。由于计算机辅助设计的出现，设计的方式发生了根本性的变化。这不仅体现在用计算机来绘制各种设计图，用快速的原型技术来替代油泥模型，或者用虚拟现实来进行产品的仿真演示等。更重要的是，建立起一种并行结构的设计系统，将设计、工程分析、制造三位一体优化集成于一个系统，使不同专业的人员能及时相互反馈信息，从而缩短开发周期，并保证设计、制造的高质量。

通过在模拟过程中提高器件构造的复杂性、以及材料组成的多样性，我们可以进行与现实更接近的模拟计算，最终的目标是在产业级别实现新设备和新材料的电脑辅助设计，同时还将通过融合实验数据和模拟实验，来实现新器件的设计与开发。

图8. 住友橡胶利用超级计算机和大型同步辐射设施开发轮胎（来源：住友橡胶）

与美国一样，超算领域曾经的霸主——日本，也在中国的奋力追赶之下尽显疲态。尽管这三年来中国霸占了超算TOP500冠军七次之多，但在超级计算机技术上日本曾经长期领先中国。

2011年富士通研发的K（京）超算夺得了当年的TOP500第一，中国的天河1A只获得了第二，而且TOP500总数上日本也一直领先中国。如今中国的太湖之光、天河2霸占了TOP500前两名，日本的“京超算”排名下滑一位，到了第4的位置。对于此次最新榜单发布，日本网友们也发表了看法：

一直说不要做第2，现在第1和第2都是中国的，（我们日本）最初的目标是第1却连第2也拿不到。

不想做第2却排在第4了。第1和第2都是中国，现在双重国籍的莲舫应该很开心。（译者注：莲舫，日本民进党前党首，具有华裔背景，因此屡遭日本网友攻击）

日本只作为旅游国家也可以，这是轻视教育的国人的责任。战后为复兴奋斗的那些人的努力都去哪了？

应该感谢莲舫，毕竟有任何过错或失败都可以把责任推到她身上。然而首先要考虑的是：日本的国力与美国、中国相比太弱了，不仅仅是超级计算机，在太空、大数据等领域也不强。

一篇日本普通网友发表于2011年的博客中这样写道：“【京】的性能，与中国开发的超算相比有两倍的领先，这一方面也可以说是国力的差距吧。我们的国家资源匮乏，要依靠这些科学技术才能生存。从某种意义上讲，也是因为留给我们的选择实在是太少了。”

实际上，这条短评放在当时的背景下无论如何也能称得上是理性客观了，从中其实也不难看出，日本人面对捉襟见肘的资源国情时内心的压抑和对发展先进技术的追求与执念。如今，重看这区区六七年之前的话语，不得不感慨中国的发展速度根本不给人适应的时间和空间……

电子计算机的出现，解放了人类的大脑，让人类从繁重而机械的运算中解脱出来，彻底改变了人类的生活面貌。正如爱因斯坦的相对论力学在接近光速的情形下颠覆了牛顿的经典力学，计算能力的飞跃式发展很有可能产生量变引起质变的革命性科技成就。超级计算机在我们未来探索未知世界的征途中发挥怎样的作用，我们拭目以待。

参考链接：

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