世界首台超级计算机CDC6600。

我国首台超级计算机“银河一号”。

“天河一号”超级计算机。

“天河二号”超级计算机。

“神威·太湖之光”超级计算机。

　　2021年5月16日，国家卫健委透露，全国已累计报告接种新冠病毒疫苗40693.8万剂次。在这场全国民众共同参与的抗疫斗争背后，有一个功能超强的“神器”——超级计算机，悄然发挥着巨大作用。

　　借助超级计算机的大规模高性能计算能力，药物与疫苗研发、CT筛查和疾控数据系统等工作得以加快进行。在这场没有硝烟的战斗中，超算又一次成为人类的得力助手。

　　回首几千年文明史，计算工具始终是人类认识世界、改造世界的重要工具，但从未有一种计算工具能像超级计算机那样，出现的时间最晚、发挥的作用最大、影响的领域最广。

　　如果把计算工具看成托举人类文明拾级而上的一座阶梯，阶梯那头王座上那颗最璀璨的明珠非超级计算机莫属。

“超级工厂”里打造出神奇“流水线”

　　湖南长沙，国防科技大学天河楼内。嗡嗡作响的超级计算机机房时常会出现慕名而来的访客。尽管只能看到一排排整齐的机柜，但访客依兴致盎然、意犹未尽。在人们眼中，这个“大家伙”始终蒙着一层神秘面纱。

　　如果把超级计算机看成一座高速运转的“数据工厂”，那么这座“工厂”的产出则源于一条“流水线”。

　　1964年，世界第一台向量超级计算机CDC6600横空出世。这一安装了35万个晶体管的庞然大物，运算速度达300万次/秒，是其他电脑的10倍。在它的研制过程中，设计者西蒙·克雷创造性地采用了向量结构，为这座“超级工厂”打造一条全新且高速的“流水线”。

　　随后，为了让这座“超级工厂”效率更高，西蒙·克雷又研制出新一代并行向量超级计算机。它不再像过去只能进行串行计算，而是一次可执行多个指令的并行计算。这相当于为这座“超级工厂”增加多条“流水线”来同步工作。

　　然而，“流水线”的增加终有极限，因为“厂子”就那么大。怎么办？业内出现了两种研究方向：提高“流水线”效率和继续增加“流水线”数量。争论中，西蒙·克雷抛出了那个经典问句：“若是耕地，你会选择1024只鸡还是2头强壮的牛？”就当时而言，选择了“2头强壮的牛”的西蒙·克雷无疑是对的。

　　科学的进步往往都是从挑战权威开始的。当争论愈演愈烈时，微处理器技术的发展给出了答案：缩小“流水线”。当时正值冷战时期，美军正在寻找应用在坦克、导弹上运算速度最快的计算机，大规模并行机器的性价比让西蒙·克雷所在的克雷公司全无招架之力。随着冷战结束与新技术出现，“2头强壮的牛”最终输给了“1024只鸡”，大规模并行超级计算机登上历史舞台。

　　时代发展至今，“超级工厂”的“流水线”又呈现出新的趋势：“通用硬件+通用操作系统”的思路，打破了原有大规模并行超级计算机的单独定制门槛，让“堆机器”成了新玩法——只要你的设备够多，用手机也能连出一台超级计算机。这也就是今天最主流、使用最广泛的异构并行超级计算机。

　　从向量计算到并行计算再到大规模并行、异构并行，在超级计算机诞生不到50年时间里，人类为了追求最高算力可谓“无所不用其极”。也正因这种执着，人类社会才一步步向前发展。

超算家族增添一副副“中国面孔”

　　我国的“银河”系列、“天河”系列、“曙光”系列、“深腾”系列、“神威”系列等超级计算机如雨后春笋般接连问世。在世界超级计算机排行榜上，“天河二号”摘取六连冠，“神威·太湖之光”亦实现四连冠……

　　细数当今超算家族，美国、日本、法国、德国等数十个国家均在其列。但要说起超算家族的故事，就不能不提其中的“中国面孔”和中国贡献。

　　中国超算的故事要从43年前说起。

　　1978年，中国科技“开春”的那一年，邓小平同志提出：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”那年，国防科技大学教授慈云桂立下了研制巨型机的军令状：每秒一亿次一次不少，六年时间一天不拖，预算经费一分不超！

　　在一片荒芜之中建超级计算机，难度可想而知。走什么样的技术路线？采取什么样的体系结构？如何实现每秒一亿次的运算速度……一个个问题摆在超算团队面前。

　　跟所有科研攻关一样，在漫长而平淡的日子里，难题被一一解开。1983年，比慈云桂立下军令状计划完成时间还早了一年，中国第一台超级计算机“银河一号”问世。中国成为世界上第3个研制出超级计算机的国家，使超算家族首次出现“中国面孔”。

　　随后的几十年里，这张“面孔”不断刷新，一次又一次地向世界超算家族贡献出自己的智慧。

　　2010年，“天河一号”超级计算机研制成功，其峰值运算速度达4700万亿次/秒，一跃成为世界第一。它运算1小时，相当于13亿人同时计算340年以上。其后短短两年半时间，“天河二号”再登世界超算之巅，峰值性能提升至5.49亿亿次/秒。

　　值得一提的是，中国超算的“CPU+GPU异构融合体系”具有低能耗、低成本、高集成度等优点，为此这种结构逐渐成为国际主流。

　　中国技术推动世界亿亿次级超算水平跃上新高度，也在世界超算发展史上留下中国创造的深深印记。

超级计算机深刻影响着民众生活

　　在人类历史上，从未有一种计算工具像超级计算机那样深刻影响着民众生活。

　　从军用的模拟核试验到民用的天气预测，从太空探索到人类基因测序……无论是人类眺望的“诗和远方”，还是人们日常生活的方方面面，处处离不开超级计算机。

　　曾经，超算中心在济南做了一场特殊实验。超级计算机预测，第二天局部地区会有小雨，甚至连哪里下雨下多少雨都算了出来。果真，在遥墙机场附近出现了零点几毫米的降雨。这场毛毛细雨对于天气预报来讲很难判断，但还是被超级计算机灵敏地捕捉到了。

　　现在的气象预报，主要采取数值运算的方法。即把遥感卫星采集的气象值，如风速、压力、温度、湿度等海量数据经过超级计算机的复杂数学运算，再求解大气动力学和热力学方程组，最后得出结果。

　　这种运算涉及信息量极其庞大，运算过程极其复杂，只有超级计算机才能胜任这项任务。而且，随着计算能力的不断提升，天气预报也会更加精准。也许在不久的将来，天气预报不再是“局部地区有小雨”，而是在一墙之隔，准确地预报出“东边日出西边雨”。

　　除感知风雨雷电之外，超级计算机在智慧城市建设中构建天地图，在动画制作、电影渲染上大放异彩，更在探索宇宙、大飞机制造、新型材料生成等方面独领风骚。而这一切，离超级计算机诞生还不到半个世纪。

　　半个世纪，对人类历史来说，不过是长弧线上的一个小小段落。然而，就在这小小段落里，超级计算机已延伸成为人类的“第三只手”，帮助我们触及那些曾经看得到却摸不到的领域；也成长为人类的“第二大脑”，在探索未知世界时“思考”得越来越快。

　　没有最快，只有更快。如今，人们依然在孜孜不倦地挖掘和创造着超级计算机的最大算力。这或许就是科学家们最纯粹的初心——对遥远未知的探索和对美好生活的创造。