高性能计算堪称名副其实的算力皇冠地位

近年来，从金融到汽车、从教育到医疗，人工智能技术，特别是以ChatGPT为代表的生成式人工智能，正在给整个世界带来碘伏性体验。在这个所谓的“人工智能时代”，人工智能技术的发展离不开服务于AI算法训练和推理的高性能计算技术。

今天，我们就来聊一聊高性能计算。

计算机科学的“皇冠”

初次接触高性能计算，不少人可能会望文生义，以为它不过是一种计算性能更优的算法，被归类到众多算法之中。其实，这种理解远远不够。高性能计算在计算机科学中的地位，就好比哥德巴赫猜想之于数学，是学科领域内一颗耀眼的明珠。在深入探讨之前，我们需要先明确一个概念：高性能计算机。

高性能计算机（HPC），又称超级计算机，是一种运算速度极快、存储容量巨大、通信带宽极高的计算机，专为解决普通计算机无法胜任的挑战性问题而生。它的发展历程，大致可分为单计算机时代和多计算机时代。单计算机时代始于20世纪60年代，以单一内存向量机和对称多处理器技术为主。到了90年代，多计算机时代拉开序幕，其中采用商用网络将多台计算机连接而成的集群逐渐成为主流。直到今天，这依然是构建高性能计算系统的主要方式。集群，本质上是计算机和网络的结合。打个比方，互联网是从外部将分立的计算机连接在一起，而集群则是将网络“内部化”，让网络成为系统内部不同计算机之间的沟通桥梁。简单来说，就是将网络连接的所有计算机看作一个整体，这个全新的整体就是高性能计算集群。

这个概念可能有点抽象。借用电影《西虹市首富》里的一句台词来解释，就是“集中火力干事业”。你想，一台普通的计算机，日常写写文档、剪辑一下生活视频，通常很流畅。但如果你试图用它来完成大型三维8K高清动画渲染，就会力不从心。这说明当前这台计算机的算力已经无法支撑这样的工作了。此时，通过网络将多台计算机连接起来，把它们的算力叠加在一起，就能完成单台计算机无法完成的任务。高性能计算集群，正是将多个计算节点组织起来，通过高速网络连接在一起的大规模并行计算系统。如果把人脑比作普通计算，那么高性能计算集群就是一个由无数人脑连接而成的矩阵式“超级大脑”。这个“超级大脑”能在短时间内爆发出惊人的计算能力，完成海量的计算任务。

和普通计算机相比，高性能计算集群的运算速度可以达到难以想象的程度。更重要的是，它还能通过大规模的分布式计算技术，将单个复杂的计算任务分解为多个子任务，然后并行处理。这就像准备一桌宴席，一个团队分工合作，有人择菜、有人切菜、有人炒菜，多道工序同时进行，效率自然要比一个人独立完成整桌宴席快得多。

高性能计算机还采用了高可靠性设计，具备极低的故障率以及出色的稳定性和持续运行能力。这些特质，共同奠定了它在计算机科学领域的“皇冠地位”。

没有最快，只有更快

谈到高性能计算，或许有人会认为这是近几年才兴起的新事物。其实不然，它诞生并发展了相当长的一段时间。随着计算机硬件和软件的不断演进，高性能计算很早就成为了一个重要的研究和技术领域。20世纪六七十年代，美国超级计算中心、法国原子能和替代能源委员会、日本计算机科学研究所等机构，就相继推出了一批超级计算机系统，为后续发展奠定了基础。此后，超级计算机进入了快速发展期，各国纷纷加大投入，性能不断提升，各类新颖的应用也层出不穷。

1983年12月，中国第一台每秒运算1亿次以上的“银河”巨型计算机成功问世，使中国成为继美国、日本之后，第三个能独立设计和制造巨型计算机的国家。从2013年6月到2015年11月，中国的“天河二号”超级计算机更是实现了世界超级计算机TOP500排行榜历史上的六连冠。在高性能计算领域，有一个著名的“千倍定律”——每过10年，超级计算机的运行速度就会提升1000倍。2018年，超级计算机“顶点”以每秒20亿亿次的浮点运算速度峰值，名列全球超级计算机500强榜首。仅仅4年后，在2022年6月公布的榜单中，超级计算机“前沿”的浮点运算速度峰值已经突破了每秒100亿亿次。

这充分展示了超算技术惊人的发展速度。每秒100亿亿次到底意味着什么？目前主流笔记本电脑的运算速度大概在每秒10亿次左右。也就是说，你需要10亿台这样的笔记本同时计算，才能勉强赶得上现在最快的超级计算机。百亿亿次超算，也就是E级超算，已经成为国际上高端信息技术创新和竞争的制高点。目前，美、欧、日等国家和地区纷纷制定并推进百亿亿次超算的研制计划。中国的3个E级计算机原型系统项目也已全面启动。欧洲也即将推出其首台百亿亿次超级计算机“木星”，有望取得突破性成就。

当然，研发E级超算，目的绝不仅仅是比拼运算速度那么简单。促进大规模应用，解决国家面临的挑战性问题，才是这项技术真正的价值所在。

算天、算海、算地、算人

如今，业内人士常用“算天、算海、算地、算人”来形容高性能计算应用的无所不在。

算天——高性能计算在天气预报、航天器设计、天体物理研究等领域应用广泛。基于超算平台开发的精细数值天气预报系统，能以每12分钟一次的频率实时刷新未来6小时的气象变化数据，并能准确预测未来15天以上的气象情况；研制一架大飞机，过去做全机风动试验需要耗费数年时间，而利用超级计算机进行模拟仿真，几天就能完成相关工作；2019年人类历史上第一张黑洞照片的问世，不仅凝结了当时最先进的探测技术，也得益于超级计算机对海量数据的分析和处理。

算海——在海洋环境预报、古气候模拟、海洋药物研发、海洋勘探等领域，高性能计算同样扮演着关键角色，已成为人类认识海洋、探索海洋的利器。

算地——高性能计算常被用来支撑地质钻探、遥感测量、重大工程建设等。2023年5月，中国测绘科学研究院的研究团队自主研发了合成孔径雷达干涉测量超算平台，服务于地面沉降防治、地质灾害隐患识别、地壳运动检测等，也可为油气田开采、采空区塌陷、大型基础设施健康诊断等提供重要数据支持。

算人——与人的生命健康息息相关的领域，比如新药研发、基因测序、脑科学等，都离不开高性能计算。近年来，各类新型检查检验设备、可穿戴设备的普及，让医生和研究人员更容易获得个人健康与疾病数据，从而从更多维度了解疾病发生的过程。高性能计算能帮助研究者和医生从海量数据中挖掘规律，进而实现更精准的诊断、治疗和药物研发。当前，高性能计算最令人瞩目的应用，莫过于与人工智能的结合。有人形象地打了个比方：如果说人工智能是一座承载机器智能的摩天大楼，那么算法是设计图纸，数据是建筑材料，算力则是地基。一方面，人工智能对算力的需求呈指数级增长，需要更强大的硬件提供支持。从ChatGPT3.0到ChatGPT4.0的飞跃，正是得益于人工智能大模型对海量数据的深度学习。

另一方面，超级计算机的发展也并非简单地堆砌硬件就能实现。它需要复杂而繁多的网络、软件等互联互通，而这恰恰离不开人工智能的支持。因此，超算系统正从计算密集型向数据密集型转变，将传统超算、AI算法、大数据相结合，以实现具备面向海量数据的高性能分析能力的智能超算。

人类对超算应用的需求永无止境。专家指出，超算一直在帮助人类拓展认知的边界。宏观上可延伸至宇宙天体，微观上能深入生命科学，还能模拟各种极端情况。超算将继续在这些尖端科学研究领域发挥不可替代的作用。

未来发展或将超乎想象

2019年，谷歌公司团队宣布成功演示“量子霸权”：花费约200秒，就完成了传统超算需要1万年才能完成的计算任务。这一消息引起了轩然大波，一场全球范围内的“量子霸权”争夺战由此愈发激烈。量子计算，是一种遵循量子力学规律、调控量子信息单元进行计算的新型计算理论和技术。与经典计算机不同，量子计算机可以不受传统物理结构的局限，利用量子位及其相互作用在瞬间进行大量计算，理论上能发挥出远超经典计算技术的性能。科学家们预言，当能够被精确操纵的量子比特超过一定数量时，量子计算机的能力将远超任何一台经典计算机。那么，量子计算会取代原有的经典计算吗？今天，我们似乎有了一个明确的答案：不会，至少在短时间内，量子计算无法取代经典计算。

量子计算与经典计算的基本原理不同、结构不同，各自擅长的计算问题也不同。因此，它们并非“取代”与“被取代”的关系。从实际应用角度看，量子计算永远不会完全取代传统超算，两者各有所长，将协同工作。此外，对于量子计算研究而言，实现“量子霸权”仅仅是第一个阶段性目标。目前来看，量子计算机仍处于发展早期，技术上存在诸多挑战和难点。“量子霸权”仅仅证明了在某个特定问题上，量子计算机的计算能力超过了现有的最强传统计算机。与已经深入社会各行各业的高性能计算相比，量子计算要实现商业化落地，还需要一段时间。但这并不意味着高性能计算就能“高枕无忧”。近年来，经典计算与量子计算的有机融合，正日益成为重点研究方向。

中、美、日、欧等传统高性能计算强国和地区，正在逐步开展量子计算和经典计算共同执行的混合算法研究，探索两者的融合体系结构和计算系统。在高性能计算的未来发展中，量子计算技术的地位将愈发凸显。超级计算机将成为量子计算和经典计算的深度融合系统，二者互为重要算力补充，面向不同类型的计算问题，各自发挥出更大的作用。未来的高性能计算，必将超乎我们的想象。