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张九儿
2014年“天河二号”一鸣惊人，让很多人知道了享有“科学加速器”之称的“超级计算机”。那么，问题来了，何为“超级计算机”？
顾名思义，“超级计算机”就是“超级”加“计算机”的超强组合体——它有着强大的计算能力和数据处理能力。平时，我们经常会抱怨自己的电脑“卡死了”，这与电脑的内存和运行速度有关。超级计算机就不会“卡”，因为它的优势就是“大容量”和“高速度”。那它究竟有多快？和我们平常使用的电脑比起来，就相当于火箭的速度和人类步行的速度对比。
在这样的运算速度下，很多复杂的科学问题可以通过数值模拟来进行解决，因此超级计算机也被生动地称为“国家经济发展与科学技术创新能力的加速器”。
说到这里，你可能就会觉得“超级计算机”这个词太玄幻，离我们的生活太远了，其实不然，它可以运用到我们生活的各个领域。例如，在电影产业中，你所熟悉的《阿凡达》里面的人物特效就是用超级计算机算出来的。当然，它还可以用来预测天气，研制新型材料，进行核试验模拟……
说回“天河二号”，它曾连续6年稳坐世界超级计算机的第一把交椅，直至2016年6月新一期全球超级计算机500强榜单公布，中国自主芯片制造的“神威太湖之光”才将其取代。
“天河二号”的速度到底有多快？峰值计算速度5.49亿亿次每秒、持续计算速度3.386亿亿次每秒，这样的计算速度是当时排名第二位的美国“泰坦”计算速度的2倍左右。在这样高速的运转下，“天河二号”仍可以连续运行10小时无故障，运行稳定性全球第一。有这样一个计算：“天河二号”运算1小时的运算量，相当于13亿人同时使用计算器计算1000年。
2015年，北京师范大学天文系利用“天河二号”成功进行了3万亿粒子数中微子与暗物质的宇宙学数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年以后至今约137亿年的漫长演化进程。
“天河二号”的特点是占地小、内存大。其由170个机柜组成，占地面积720平方米，这与之前的“天河一号”占地面积相当，计算性能与计算密度却提升了10倍以上。其内存总容量为1400万亿字节，存储总容量达12 400万亿字节，这相当于存储每册10万字的图书600亿册。想想，以你的大脑要把这么多书“吃”进去要花多少亿年？
天河二号外形（拍摄者：EnigmaHuang@flickr）
此外，“天河二号”还有一大优势，就是耗电量低。这套系统功耗17 808千瓦，这样的能耗系统，一年大约耗电2亿度，看着数字比较大，但其实对比一下就知道了：同样的运算量，1000台电脑连着网线运算10天就要耗费1万度电，而超级计算机只需2天和5000度电就能算出结果！
低耗电量离不开高性能，“天河二号”的能耗比达到了1.9GFLOPS每瓦，而最绿色的超级计算机能耗比为2.5GFLOPS每瓦，“泰坦”能耗比为1.95GFLOPS每瓦，“红杉”为2.17GFLOPS每瓦，“天河二号”虽略逊于二者，但与“天河一号”相比，执行相同任务时耗电量仅为“天河一号”的三分之一。
一般而言，提升计算机运行速度，主要依靠更新CPU或者是提高CPU的运行速度。在计算机的发展中，CPU的技术限制几乎达到瓶颈。增加集群CPU数量固然可以增加速度，但是集群运行速度并不会持续攀升，而是趋向某一峰值；而且，那么多CPU在一起，不仅散热是个问题，耗能也是一大阻力。所以，全新的超级计算机搭建方式亟待解决。
2010年下半年，经过两个多月的装配与调试，“天河一号”另辟蹊径，创造了“CPU+GPU异构融合体系”，因其低能耗、低成本、高集成度等优点成为国际主流。在此基础上，“天河”创新团队为“天河二号”设计出“新型异构多态体系结构”。这种结构不仅大幅度提高了系统的计算速度，还将其应用范围从科学计算拓展至大数据处理、大规模信息服务等多个领域。
“天河二号”有很多处理器。处理器的主要作用是资源管理，而每个处理器又有多个核。一个运算任务要均匀分配给众多的处理器，这就需要“调度指挥”，就像高铁也有自己的“大脑”来调度车辆，前端处理器调度的则是处理器。“天河二号”的计算节点前端处理器为4096颗中国国防科技大学研发的FT-1500，16核心SPARC V9架构的处理器。
为了保证计算机高效快速运转，不仅要保证集群CPU，还要保证高速的网络互联性。想想，如果车速提上去了，但是道路不通，该有多么不便。
也正是因为高速互联网络如此重要，所以早就被美国列入技术封锁的名单。“天河二号”互联方面采用自主研发的Express-2内部互联网络，高速互联架构使用光电混合传输技术，其有13个交换机，具体控制器是名为NRC的ASIC专用集成电路，其采用90纳米工艺，2577个引脚。这是国产芯片应用的另外一处地方，将国产芯片的作用发挥到了极致。
迄今中国超级计算机的投资主要用于硬件开发，客户必须自己编写程序才能使用。一些用户或需要多年甚至十年时间来编写必要的代码。
因为超级计算机在国内的发展速度已经远超于相应人才的培养速度，这导致超级计算机的软硬件技术之间出现巨大差异。不过，这也成就了中国超级计算机的“普适性”。美国的超级计算机研发目的都是自用。例如“泰坦”主要用于美国能源部内部的核试验模拟，其超级计算机计算用途较为简单，基本只能适配于某一方向，但专业性更强。而国内的超级计算机更为开放，可针对更多用户。
中国的超级计算机之路已从最初受制于人的状态逐渐扭转，如今已呈现“三箭齐发”的态势——国防科技大学“银河”“天河”，北京“曙光”“星云”，无锡“神威”，这些都是中国科技的“加速器”，助力未来科学发展。