大資料時代的「最強大腦」

是否想過這樣的情景：某一天，當你打開電視看天氣預報，發現它能精確地預報明天早上8時你家門口的天氣情況。

或者某天你要買房，你再也不用飽受奔波看房之苦，足不出戶，只要打開電腦，在一個數位地圖上敲入幾個關鍵字，就可以看到房子周邊的景色、房子的內在結構、甚至能夠體驗自己置身陽臺所能觀看到的景色。

甚至當你走進電影院，看到好萊塢科幻大片《盜夢空間》，你也想像電影裡那樣，在夢境裡輕易類比出一個現實空間，其逼真程度可以矇騙那些被「拐」到夢境裡來的人，讓他們誤以為身處現實......

也許你會說，這只在「盜夢空間」裡才會有。 的確，在現實生活中，如果要類比一個現實空間，特別是要達到以假亂真的程度，所需要的計算量和渲染工程，別說人腦，一台普通的電腦都有可能被燒爆。

但是在大資料時代即將來臨之際，借助一台擁有「最強大腦」的超級電腦，這一切都將不是夢。

1.海量計算

如果普通電腦的運算速度像成人走路，那麼超級電腦就是火箭速度。 在極高的運算速度下，人們可以通過數值類比來預測和解釋以前無法實驗的自然現象。

對於很多人而言，電腦已經成為生活中密不可分的一部分。 是不是覺得你家中的四核PC就已經性能很強大了？ 在廣州中山大學的國家超級電腦中心裡，有一台擁有312萬核心、浮點運算速度達到每秒33.86千萬億次的超級電腦，這就是由國防科學技術大學所研發的天河二號。

走進廣州超算中心，記者看到了目前世界最快的超級電腦天河二號。 一排排狹長的黑色機櫃整齊地擺放在接近三個籃球場那麼大的實驗室中。 雖然每排機櫃彼此分開，但是工作人員告訴我們，它們工作時是彼此相連的，其實是一台電腦。

計算速度快，存儲量大，體積也非常大，這是記者看到超級電腦時最直觀的感受。

為了更好地理解超級電腦這個「大塊頭」，我們不妨把時鐘往回撥一個甲子。

1946年2月14日，這是人類歷史上劃時代的一天。 世界上第一台電子電腦「埃尼阿克」在美國賓夕法尼亞大學的實驗室裡誕生。 「埃尼阿克」著實是個龐然大物，它由17468個電子管、6萬個電阻器、1萬個電容器和6000個開關組成，重達30噸，占地160平方米，耗電174千瓦/時，耗資45萬美元，每秒能運行5000次加法運算。

在此後的60多年中，以電子電腦為代表的科技廣泛應用到社會和人們的生活中。 然而，當人類越來越深地涉足高科技領域時，遇到的是更為海量、超越一般電腦運算能力的計算難題。

這時，超級電腦適時出現了。 超級電腦（supercomputer），通常是指由數百數千甚至更多的處理器（機）組成的，能夠執行一般個人電腦和伺服器無法處理的大資料量高速運算的電腦。 如果把普通電腦的運算速度比做成人走路，那麼超級電腦就達到了火箭的速度。 在極高的運算速度下，人們可以通過數值類比來預測和解釋以前無法實驗的自然現象。 就拿天河二號來說，13億人用計算機算1000年才能達到天河二號1小時的計算量。

由於超級電腦的基本組成元件與個人電腦的概念無太大差異，所以很多人會誤以為超級電腦就是簡單的cpu疊加。 但這是一個認識誤區。

浪潮集團高效能伺服器和存儲技術國家重點實驗室副主任胡雷鈞打了個比方：你用1000台PC，用普通的網線把它們連接在一起，你可能花了1萬度電，算了10天，但是你用真正的超級電腦，可能只用5000度電，花了兩天就算出來了。

超級電腦做的所有工作都是在提高性能和效率。 在資訊爆炸和科學不斷進步的時代裡，要推動一個領域繼續向前發展，超級電腦的存在必不可少。 如今，超級電腦也成為衡量一國科技實力的標誌，在諸如天氣預報、基因工程、核工業、軍事、天體物理類比、航空航太等高科技領域大展身手。

2.超級應用

隨著超級電腦的不斷發展，它所延伸的領域大多已與民生息息相關，例如與人們生活密切相關的天氣預報和氣候類比、地震預報、三維地圖以及大資料等應用

作為「現代科學技術的大腦」，超級電腦廣泛應用於地球氣候類比、宇宙天體研究、基因研究、石油勘探、自然災害預報等「高、精、尖」的前沿領域，已成為世界各國競相爭奪的科技戰略制高點。

而即將到來的大資料時代，更是對人類的資料駕馭能力提出了全新的挑戰，運用超級電腦解決大資料時代的重大問題迫在眉睫。

我國走在世界前沿的石油勘探超算應用，其發展經歷過一段艱苦的時期。 中國石油集團東方地球物理公司研發中心首席工程師趙長海對此感受頗深，「所謂上天容易入地難，說的就是石油勘探。 」

在青海柴達木盆地，海拔4000米的英雄嶺地區地質條件惡劣，地震地質條件使得該地區地震勘探久攻不克。

趙長海說：「石油勘探，我們看不見油，最直接的方式就是打孔，但打孔成本太高，要靠人工地震波進行探測，再進行資料分析。 這種計算，不管是硬體還是軟體，負荷都是非常龐大的。 」

所謂的人工地震波探測，也叫地震勘探，就是向地下發射一個地震波，地震波發射之後地面有接收器，接收完這些地震波之後再進行分析，從而確定石油的位置。 但是要接收並分析這些地震波，不僅要有暫態獲取大量資料的能力，還涉及到許多複雜的計算。

最後，借助超級電腦的不斷發展，龐大的石油勘探地震資料計算才成為可能。

除了石油勘探，超級電腦在智慧城市、個人化醫療、天體物理等方面也有著廣泛的應用前景。 有專家大膽預言，借助于超級電腦強大而快速的運算能力，在實驗室就能實施亞臨界核子試驗，其與真正核試爆的效果是相同的，這意味著超級計算完全可以取代核子試驗。

儘管如此，由於早期的超級電腦大量應用於國家級的科研專案，讓公眾對超級電腦還十分陌生，造成一個超級電腦跟自己的生活關系不大的印象。 但實際上，隨著超級電腦的不斷發展，它所延伸的領域大多已與民生息息相關。

資料顯示，天河一號為汽車裝備、石油物探、動漫渲染、生物醫藥等相關企業帶來上億元效益，輻射區域和行業經濟規模近百億元。

就拿天氣預報來說，人們都關心第二天出行的天氣狀況，但是天氣情況的預測為什麼需要超級電腦呢？

氣象局專家介紹，目前的中短期天氣預報主要是根據氣象衛星等觀測的大氣實況資料，通過求解描述天氣演變過程的動力學方程組實現的。 這種運算涉及資料量龐大，運算過程複雜，一般的電腦要計算出第二天的天氣情況可能需要幾個月的時間，這種預報就失去了意義。

也就是說，超級電腦可以説明我們即時地掌握自己附近地區的天氣情況，不再感歎「六月的天，孩子的臉」或者「東邊日出西邊雨」了。

3.超級演算法

「超級電腦就好比算盤，如果沒有口訣，它就毫無用處。 」要讓超級電腦真正運行起來，需要各種龐大、複雜的口訣和演算法，這個被稱作超級演算法理論

中國是算盤的故鄉。 借助老祖宗們留下來的許多計算口訣，在即便已經進入電子電腦時代的今天，用算盤進行10以內的加減乘除，速度甚至比計算機還快。

「超級電腦就好比算盤，如果沒有口訣，它就毫無用處。 」中山大學數學與計算科學學院教授、廣東省計算科學重點實驗室主任許躍生形象地說。 對於超級電腦而言，要讓它真正運行起來，也需要各種口訣，但這些口訣更龐大、更複雜。 目前科學界把這個演算法稱為超級演算法理論。

許躍生介紹，超級演算法理論是研究如何設計高性能的平行計算系統，如何發揮超級電腦的性能，為超級計算科學服務。

儘管超級電腦的運行速度越來越快，但它也面臨著瓶頸：體積越來越大，產生更多的熱量，耗電量也越來越大。

「如果僅僅是算得更快，但耗電量更大、成本更高，就失去了應用意義。 」浪潮集團高性能計算總經理劉軍說，現在超級電腦的研究方向是不斷提升性價比，在額定功耗下盡可能提升運算速度。

這時，超算演算法的意義就不言而喻。 通俗地說，超算演算法的意義在於，找出更高效率的計算方法，最大限度地充分利用超級電腦的計算能力，這是對人們體力、腦力和基礎知識的考驗。

一則2010年初轟動世界的新聞，剛好可以驗證演算法的威力。 法國一名程式師用一台價值2000歐元的普通桌上型電腦，打破當時世界排名第42位的T2K Open超級電腦保持的世界紀錄。

因此，相比超級電腦硬體的快速發展，目前全世界更看重超算應用領域的研究。

劉軍介紹，雖然中國擁有世界最快的超級電腦天河二號，但我國在超算應用領域還十分薄弱，九成以上的超算軟體都依賴國外進口。 這也導致我國雖然擁有性能很強的大型超算系統，卻缺乏相匹配的大規模並行軟體，很多大型超級電腦不得不拆分成小規模的集群來跑應用，大系統並沒有發揮出應有的價值，「這實在是一種很大的浪費」。

「目前，我國在應用軟體上能跑到萬億次以上的不是非常多，也就是說超級電腦的利用率並不高。 超級電腦的使用要非常謹慎，用不好就是燒錢的。 」高效能伺服器和存儲技術國家重點實驗室主任、浪潮集團執行總裁王恩東也告訴南方日報記者，如何把超算用好是全球性問題，要想讓超級電腦真正成為推動科學技術創新和社會經濟發展的「發動機」，必須要從應用創新和人才培養入手， 充分發揮硬體的計算潛力。

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全球500強超級電腦美國擁有一半

從1983年我國第一台被命名為「銀河」的億次巨型電子電腦誕生，到2013年天河二號以峰值計算速度每秒5.49億億次再度奪冠，可以說，中國人用30年實現了超算趕超的大跨越。

不過，雖然天河二號成功突圍，但在整體實力上，中國與超級電腦第一大國美國相比還有不小的差距。

《人民日報》2014年1月統計資料顯示，單論超級電腦的數量，美國擁有全球500強超級電腦中的253個，總數較其他國家和地區的總和還要多，優勢明顯。 中國大陸共有65個超級電腦進入500強榜單，位居第二。 日本以30個位列第三。 英、法、德國分別以29個、23個和19個位列第四至第六位。