超级计算机可以用来算天、算地、算人，服务国家大科学、大工程。
孟祥飞
国家超级计算机天津中心 应用研发部部长
我们正处于信息时代
当今无论我们个人的生活、工作，还是国家的科技创新、经济发展，信息化已经全面渗透，正在改变着整个社会甚至个人生活发展的方方面面。又是什么东西推动了信息时代的到来，驱动支撑着这个信息时代？
在1946年，世界上研制成功了第一台计算机--ENIAC系统。该系统的负责人预测未来世界最多需要不超过5台计算机，因为这个系统是为了做军方弹道计算，完全看不到其他领域的应用。
今天充斥着以计算机为核心的各种电子产品、控制器件，计算机实际上以各种模态存在于我们周围的世界当中。计算机的性能也发生了急剧的变化，ENIAC系统有两个教室这么大，计算能力是5000次。而今天手机的计算能力达到了每秒钟几亿次，甚至几十亿次。
所以说计算能力的泛在和计算密度的急剧提升，推动了整个社会迈向了信息时代。
挑战性问题多样 超级计算机应运而生
自然灾害应对、能源危机、人类健康、全球气候变暖、脑科学、人类自身身体的揭秘等问题依然摆在人类面前需要解决。更重要的是现代人工智能的发展需要更强大的计算能力支撑，人类要想应对人工智能，也需要更强的计算能力来解决。
超级计算机是具备超级计算能力的计算机系统，单体超级计算机在同一个时代计算速度远高于普通的计算机。超级计算机性能提升的速度也远高于普通的计算机，普通的计算机大概每十年按照摩尔定律是提升100倍左右，而超级计算机每十年提升的性能是达到了1000倍。超级计算能力的实现来自于并行技术的支撑，即通过将大量计算处理器整合在一起协同工作，完成大规模计算任务。
两个重要公式
Amdahl并行计算性能加速比公式于1967年提出，用于评价超级计算机如何更高效的运行。加速比是指一个计算任务在一个普通的电脑上串行执行的时间，除以在超级计算机上运行的时间的比值。这个公式并没有带来全面超级计算机发展的热潮，因为程序存在一个上限，假如串行的任务占到10%，不管做多大规模的超级计算机，最快只能加速10倍。
但是在随后十多年的应用发展当中通过实际的应用发现，一个物理问题求解的过程当中，无法用超级计算机来加速的这一部分，时间是固定的，但是可并行的计算量大大增加使得研制超大规模计算机具有了重要的现实意义，可以把大规模可并行的任务分发到并行的处理器上来完成计算，来大大提升计算的效果。1988年，Gustafson公式推出来以后，推动了并行计算机的快速发展，也推动了各个创新领域应用超级计算机的高潮。
超级计算机系统类似于人类大脑
大脑里面有神经元，神经网络和中枢神经系统来组成。超级计算机的神经元就是CPU、GPU等计算芯片，一台超级计算机由几万甚至几十万个计算芯片组成，通过高速互联网络把几十万的计算芯片构成一个整体。而在这个系统里面，计算机的体系结构和操作系统就成为中枢神经系统，来实现整个超级计算机的超级计算性能。
中国的超级计算机发展
世界上第一台超级计算机是1976年研制完成，中国在1978年启动研制中国超级计算机--银河1，经过30年的积累、发展，天河1号阶段实现了技术上的突破和性能上的突破，天河2号又连续六届保持世界第一的状态。
中国在2007年从技术方案上研制完成了异构体系架构，2009年研制成功的天河一号系统在世界上首次从工程上验证了异构体系架构，并在2010年取得了世界第一的成绩。异构体系架构的超级计算机已经成为世界主流的超级计算机，在世界上最快的500台超级计算机里面，有200多台采用了异构体系架构。
算天、算地、算人
由于我们国家超级计算机创新的快速发展，推动了国家“计算驱动创新”的新的发展，给各个领域提供了创新的能力平台，来支撑算天、算地、算人，服务我们国家的大科学、大工程，包括航空航天领域的大飞机设计、神舟飞船回收控制模拟。
基于超级计算机做神舟飞船的回收控制模拟，可以实现模拟出来的倾角和实际落地倾角只有0.3度的差别，能够指导工程的实践。在气象预报领域，雾霾的预警预报可以做到5公里高分辨率，5天长效预报，单纯的气象预报可以做到一到两周的中长期的气象预报。
未来开启新的超级计算机的时代--E级计算
E级计算是一个指标，每秒钟的计算达到10的18次方，即工作1小时相当于全世界70多亿人上万年的工作量。E级计算需要解决很多挑战性的问题，包括高性能计算芯片设计、高速互联网络技术的设计、如何降低整个系统的功耗体系结构的设计，都需要技术上不断创新。
新一代超级计算机要解决更多的挑战性应用计算需求的问题，新的超级计算机的研制，异构技术成为新一代超级计算机的主流。
天河一号和曙光采用的是板上异构，在主板上实现了异构。类似于两个发动机，这两个发动机需要协同在一起。
神威是片上异构，芯片内有两种不同计算核心的设计。类似于涡轮增压发动机，还是一台发动机，但是结构比原来的发动机结构更复杂、更高效。
天河三号的E级设计是系统异构。类似于插电混合的汽车，有电机和燃气机两个独立工作系统，通过高速网络在超级计算机中实现协同工作。
数字双生
5G处于泛网络化、泛智能化时代，超级计算机也不能再作为一个独立的超级计算单元存在，在深度地融入到互联网、物联网的背景下，计算跟数据需要紧密融合，这就要依托于超级计算能达到物理系统与信息技术系统融合的数字双生系统。
大量的系统运行数据，飞机运行数据，或实验风洞获取的物联网前端数据，能够快速进入超级计算平台，借助超级计算机大规模数据处理和高性能计算仿真的能力进行实时仿真。仿真优化的结果可以反馈指导飞行器、发动机的设计。数字双生是未来超级计算机融入互联网、物联网时代发展的潮流。
总结
信息技术驱动的科技创新与产业变革正全面爆发，超级计算是信息技术创新的“牛鼻子”，它带领各个方面的创新，而超级计算形成的算力、数据与算法融合带来知识，机器给我们带来了知识，能够实现智能创新，成为新的发展生产力。
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