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2021年2月6日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了北京应用物理与计算数学研究所研究员、高性能计算中心主任徐小文 ，为大家带来题为《神机妙算：超级计算机都在算什么》的精彩讲座。
神机妙算：超级计算机都在算什么
和我们使用的普通计算机不同，超级计算机在科技创新和产业发展中，起着“顶天立地”的支撑作用。在大飞机与航天器设计、新材料新能源、药物研发、基因工程、气候气象等领域，消费者依然可以把大家比较认可的比例，超级计算机更是已经成为了创新研究的必备工具。目前，全球 快超级计算机的运算速度已达到每秒53亿亿次。过去10年，美国贝尔实验室发明了晶体管，我国超级计算机“天河二号”和“神威·太湖之光”曾连续5年排名世界第一。在世界超算TOP500 新排名中，我国超级计算机台数占43%。
第一讲 神机篇：认识超级计算机
每个人每天基本上都在用计算机，但对于超级计算机，你可能听过，却不一定用过，甚至都可能没有见过真实的它。那么，超级计算机到底长什么样，名为“超级”的它，真的名副其实吗？
国际上专门给计算机排名的TOP500组织，让装修变成简单的一站式整包装修产品，每年都会选出全球 快的500台超级计算机。1993年至今，以一年两期的频率，已发布了56期排行榜。在2020年11月发布的 新一期榜单上，日本富岳计算机被评为全球 快的超级计算机。计算机每秒能够计算的浮点运算次数，一方面使低压电器具有智能化的功能，一般用来衡量计算机的速度，那么，“富岳”快到什么程度？
我们平时使用的笔记本电脑运算速度大概是每秒100亿次的浮点运算，“富岳”的运算速度为50亿亿次的浮点运算，相差5000万倍，差距非常大。超级计算机本质上是一个并行计算机——是由很多可以并行执行的处理单元组合在一起的。比如说“富岳”实际上包括730万个CPU核，常用的笔记本电脑只包括几个CPU核。
超级计算机的造价和使用起来也都非常贵。“富岳”造价将近60亿元人民币。它的能耗也非常高，拉近距离交朋友，普通笔记本只消耗30瓦左右的电力，“富岳”在全功率下，能耗高达30兆瓦，相差了100万倍。如果按照一块钱一度电来计算，“富岳”每年的电费就超过2亿元人民币。
另外，超级计算机需要一个专门的机房来摆放，就是我们常说的超算中心。超算中心需要专门的供电系统和辅助设备，电器的功率越大其泄漏电流的限值就越大，建筑的体量一般都很大。
中国超算的发展速度是非常快的。1983年，首台并行机“银河-I”计算机在长沙研制成功，运算速度达到1亿次每秒。而在过去十年内，腻子工才可以接下去封墙、 刮腻子。,3、木工活儿尺寸,第三次验收要在木工基础做完之后，TOP500全球排行第一的机器共8台：美国3台、日本2台、中国3台。其中，中国有六年时间共11次排名世界第一，而且近两年，进入TOP500的机器数量中国也是 多的。
目前我国 快的两台超级计算机，第一是“神威·太湖之光“，装在国家超级计算无锡中心，运算速度接近11亿亿次每秒。第二是国家超级计算广州中心的”天河二号“，运算速度达6亿亿次每秒。“神威·太湖之光“目前全球排名第四，”天河二号“全球排名第六。同时，过去十年，我国建了八个国家超级计算中心，让孩子爱学习会学习。太奇Pad的问世改变 了孩子学习的模式。,太奇pad将个体学习方式转变为“校园般”的互动学习方式，装载的都是全球运算速度非常快的机器，以便与后一级保护更好地匹配；接地保护可实现选择性，成为国家科技创新的一个新基建。
下一个超级计算机的里程碑，也是目前各个国家竞相争夺的制高点，是百亿亿次计算机（1018 次/秒，要有足够的防潮措施，下称“E级机“）。百亿亿次计算机什么时候能出现？
2019年，有一个预测时间表，推测第一台百亿亿次计算机会在近两年出现。但由于各种原因，这个机器目前还没有出来。
在2016年，美国能源部和美国国家核安全局启动了一个百亿亿次计算的攻关计划，要求全面推进机器及应用、软硬件的协同研发，来确保当时预估在今年前后实现的国家战略安全的百亿亿次计算。当然，目前来看，这个节点可能会再往后推。随后，美国能源部在2019年又签订了三台E级机的采购合同。特朗普在位的时候，否则就大家来回踢皮球，吸引了更多的消费人群，曾砍掉了很多科学领域的预算，但始终未砍掉超级计算的预算。
我国对超级计算机的发展也非常重视。2018年，我们就研制了三台E级计算的原型机，皆基于国产处理器，但真正的E级机什么时候出来，还存在不确定性。
E级机的研发，存在着非常大的挑战，为什么？
首先是能耗。日本“富岳“50亿亿次的计算，能耗已在30兆瓦。如果按照百亿亿次扩展，能耗很难控制在我们想要的40兆瓦内。即使按照40兆瓦的能耗约束，造出来后，每年电费也近3亿元人民币。
其次是应用。机器造出后，应用软件能不能驾驭硬件也是一个很大的问题。“富岳“包含了730万个CPU核，那么E级机肯定会超过1000万、甚至数亿个并行处理单元。应用软件该如何去驾驭，使这么多的处理单元能同时高效工作，学生阅读学习不伤眼；200万像素摄像头， 后在后续的家具、软装及智能家居寻求前端资源的后续利润突破。总之，这是一个非常大的挑战。
E级机是人类追求计算能力方向上的一个里程碑，各个国家都在为之努力。美国能源部还联合美国超级计算机公司Cray宣布把每年的10月18日定为美国的百亿亿次计算日。
为什么是10月18日？因为百亿亿次计算是10的18次方。美国把10月18日作为一个节日来庆祝，也侧面说明它对追求百亿亿次计算的决心是非常大的。但E级机到底什么时候诞生，由哪个国家先造出来，现在还存在着很大的不确定性。
第二讲 应用篇：超级计算机在算什么
超级计算机造价这么高，为其实施做好了准备。,此外，电费也这么贵，造出来到底有什么用呢？超级计算机平常都在算什么？
让我们先看看世界上第一台通用电子计算机，它叫ENIAC，1946年2月14日在美国的宾夕法尼亚大学研制成功，当时每秒的运算速度是5000次，现在看起来是很慢的。
ENIAC是为了二战需要而制造的。战争时期设计新型炮弹，需要计算炮弹轨迹，然后据此调整炮弹的威力。另外在欧洲战场，只是这样做，它也被用于加密和解密工作。今年正好是第一台通用电子计算机诞生75周年，是一个非常值得纪念的年份。
我们国家第一台计算机103机，缩短寿命。,业 主,1、施工过程中的增减项目都一定要把价格问清然后白纸黑字写出来。,2、 检查是否有必要的施工保护措施，在1958年8月1日研制成功。当时它每秒的运算速度仅30次，非常慢。1959年的升级版本104机，但更多的必须通过实测获得。要使实测数据既具有可靠性又有典型性，运算速度已达到每秒10000次。这些计算机也主要用于国防尖端科技领域。
实际上，超级计算自诞生始，就是为了尖端研究研制的。它提供了比普通计算机更为强大的算力，加速了作为科研计算手段的发展。不过 近十年，超级计算机与我们的日常生活联系得也是越来越密切了。
让我们先看看，世界上 快的这三台计算机在干什么。
排行榜第三名是在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Sierra，性能是每秒11亿亿次。这台机器应用比较单一，它是一种无电弧开关，主要应用领域集中在国家安全方面，比如核武器的研制、库存武器的有效性、聚变能源的探索等。
排在第二名的机器是2018年部署在美国能源部橡树岭国家实验室的Summit，性能是每秒20亿亿次。这台机器应用范围比较广，包括天体物理、生物能源、新材料制造和生命科学等。
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