近年來，從金融到汽車、從教育到醫(yī)療，人工智能技術(shù)，特別是以ChatGPT為代表的生成式人工智能，正在給整個世界帶來顛覆性體驗。在如今這個“人工智能時代”，人工智能技術(shù)的發(fā)展離不開服務(wù)于AI算法訓(xùn)練和推理的高性能計算技術(shù)。

今天，我們就來聊一聊高性能計算。

計算機科學(xué)的“皇冠”初次涉及高性能計算，可能許多人會按照字面意思理解為計算性能較好的算法，從而將其列入眾多算法之一。其實這種看法并不全面。高性能計算之于計算機科學(xué)，如同哥德巴赫猜想之于數(shù)學(xué)，是計算機學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)十分耀眼的存在。在介紹高性能計算之前，我們要先介紹一下高性能計算機。

高性能計算機（HPC）是一種運算速度極快、存儲容量極大、通信帶寬極高的計算機，又被稱作超級計算機，主要用于解決普通計算機解決不了的具有挑戰(zhàn)性的問題。高性能計算機發(fā)展經(jīng)歷了單計算機時代和多計算機時代。單計算機時代從20世紀(jì)60年代開始，以單一內(nèi)存向量機和對稱多處理器技術(shù)為主。20世紀(jì)90年代后逐步進入到多計算機時代，其中采用商用網(wǎng)絡(luò)將計算機連接起來組成的集群逐步成為主流。直到今天，這依然是高性能計算系統(tǒng)構(gòu)建的主要方式。集群是計算機和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。假如說，互聯(lián)網(wǎng)是從外部將分立的計算機連接在一起，那么集群就是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部化，讓網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)內(nèi)部不同計算機的溝通橋梁。往簡單里說，其實就是將網(wǎng)絡(luò)連接的所有計算機看作一個整體，這個新的整體就是高性能計算集群。

或許這樣乍一看有些難懂，引用電影《西虹市首富》里的一句臺詞來解釋，就是“集中火力干事業(yè)”。就好比一臺計算機，我們平日里用其寫寫文檔、剪輯簡單的日常生活視頻可能還很流暢，但是如果想實現(xiàn)大型三維8K高清動畫渲染，就難以勝任，這說明當(dāng)前計算機的算力已經(jīng)不支持完成當(dāng)前的工作了。此時通過網(wǎng)絡(luò)將多臺計算機進行連接，把這些設(shè)備的算力進行疊加，就可以完成一臺計算機完不成的任務(wù)。高性能計算集群是將多個計算節(jié)點組織起來，通過高速網(wǎng)絡(luò)連接在一起的大規(guī)模并行計算系統(tǒng)。如果將普通計算比作人腦，那么高性能計算集群就是許多人腦連接成矩陣的“超級大腦”。在短時間內(nèi)，“超級大腦”具有強大的計算能力，可以完成更多計算任務(wù)。

相較于普通計算機，高性能計算集群的運算速度能夠達(dá)到令人難以想象的程度。此外，高性能計算還可以通過大規(guī)模的分布式計算技術(shù)，將單個計算任務(wù)分解為多個子任務(wù)并行計算。好比如果需要烹制一桌宴席，一個團隊擇菜、切菜、炒菜分工明確，多環(huán)節(jié)同時進行，效率要比一個人獨立完成整桌宴席快得多。

高性能計算機采用高可靠性設(shè)計，具有超低的故障率以及較好的穩(wěn)定性和持續(xù)運行能力。這也奠定了高性能計算在計算機科學(xué)領(lǐng)域的“皇冠地位”。

沒有最快，只有更快

談及高性能計算，或許不少讀者會以為這是近些年來伴隨科技發(fā)展的新興產(chǎn)物。殊不知，高性能計算已經(jīng)誕生并發(fā)展了相當(dāng)長一段時間。隨著計算機硬件和軟件的不斷發(fā)展，高性能計算在很早以前就成了一個重要的研究領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)六七十年代，美國超級計算中心、法國原子能和替代能源委員會、日本計算機科學(xué)研究所等機構(gòu)紛紛推出了一批超級計算機系統(tǒng)，奠定了高性能計算的發(fā)展基礎(chǔ)。此后，超級計算機進入了快速發(fā)展期。各國投入更多的資金用于高性能計算的研發(fā)和應(yīng)用。超級計算機性能速度不斷提升，各種新興應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。

1983年12月，中國第一臺每秒鐘運算1億次以上的“銀河”巨型計算機成功問世，中國成為繼美國、日本之后，第3個能獨立設(shè)計和制造巨型計算機的國家。2013年6月至2015年11月，中國“天河二號”超級計算機實現(xiàn)世界超級計算機TOP500排行榜歷史上的六連冠。在高性能計算領(lǐng)域，有一個著名的千倍定律——每10年，超級計算機的運行速度就會提升1000倍。2018年，超級計算機“頂點”以每秒20億億次的浮點運算速度峰值，名列全球超級計算機500強榜單榜首。4年后，在2022年6月公布的全球超級計算機500強榜單中，超級計算機“前沿”的浮點運算速度峰值已經(jīng)超過每秒100億億次。

這顯示了超算技術(shù)驚人的發(fā)展速度。每秒100億億次意味著什么呢？目前主流筆記本電腦運算速度大概每秒10億次，要10億個這樣的筆記本同時計算，才能趕得上現(xiàn)在最快的超級計算機。百億億次超算，又稱E級超算，已成為國際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競爭的制高點。目前，世界各國在全球超算領(lǐng)域你追我趕，競爭激烈。美、歐、日等國家和地區(qū)紛紛制定和推進百億億次超算研制計劃。中國的3個E級（百億億次）計算機原型系統(tǒng)項目，已經(jīng)全面啟動。歐洲即將推出首臺百億億次超級計算機“木星”，有望取得突破性的成就。

當(dāng)然，研發(fā)E級超算，目的并非單純比拼運算速度，促進大規(guī)模應(yīng)用、解決國家面臨的挑戰(zhàn)性問題，才是關(guān)鍵。

算天、算海、算地、算人

如今，業(yè)內(nèi)人士常用“算天、算海、算地、算人”來形容高性能計算應(yīng)用的無所不在。

算天——高性能計算廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、航天器設(shè)計、研究天體物理等?；诔闫脚_開發(fā)的精細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，能以每12分鐘實時刷新未來6小時的氣象變化數(shù)據(jù)，并且準(zhǔn)確預(yù)測未來15天以上氣象變化情況；研制一架大飛機，做全機風(fēng)動試驗過去需耗費數(shù)年時間，利用超級計算機模擬仿真，幾天就能完成相關(guān)工作；2019年人類歷史上第一張黑洞照片終于問世，這張照片凝結(jié)了當(dāng)時世界最先進的探測技術(shù)，也得益于超級計算機對海量數(shù)據(jù)的分析和處理。

算海——高性能計算在海洋環(huán)境預(yù)報、古氣候模擬、海洋藥物、海洋勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，已經(jīng)成為人類認(rèn)識海洋、探索海洋的利器。

算地——高性能計算常用來支撐地質(zhì)鉆探、遙感測量、重大工程建設(shè)等。2023年5月，中國測繪科學(xué)研究院研究團隊自主研發(fā)了合成孔徑雷達(dá)干涉測量超算平臺，服務(wù)于地面沉降防治、地質(zhì)災(zāi)害隱患識別、地殼運動檢測等，也可為油氣田開采、采空區(qū)塌陷、大型基礎(chǔ)設(shè)施健康診斷等提供信息支持。

算人——與人的生命健康有關(guān)的應(yīng)用，比如新藥研發(fā)、基因測序、腦科學(xué)等，都離不開高性能計算。近年來，各種新的檢查檢驗設(shè)備、可穿戴設(shè)備等，使得醫(yī)生和研究人員更容易獲得個人的健康、疾病數(shù)據(jù)，有助于從更多維度了解疾病發(fā)生過程。高性能計算可以幫助研究者和醫(yī)生從大量數(shù)據(jù)中摸索出規(guī)律，從而更加精準(zhǔn)地診斷、治療疾病或者研發(fā)藥物。當(dāng)前，高性能計算最令人矚目的應(yīng)用，是超級計算機與人工智能的結(jié)合。有人形象地打了一個比方：如果說，人工智能是一座承載機器智能的摩天大樓，那么算法是設(shè)計圖紙，數(shù)據(jù)是建筑材料，算力則是地基。一方面，當(dāng)前人工智能對算力的需求呈指數(shù)式增長，需要更高性能的硬件系統(tǒng)提供算力支持。從ChatGPT3.0到ChatGPT4.0，其突破離不開人工智能大模型對海量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)。

另一方面，超級計算機并非簡單地堆砌硬件就能達(dá)到更高性能，其發(fā)展需要復(fù)雜而繁多的網(wǎng)絡(luò)、軟件等的互聯(lián)互通，這便離不開人工智能的支持。因此，超算系統(tǒng)需要從計算密集型向數(shù)據(jù)密集型轉(zhuǎn)變，將傳統(tǒng)超算、AI算法、大數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)具備面向海量數(shù)據(jù)的高性能分析能力的智能超算。

人類對超算應(yīng)用的需求沒有止境。專家表示，超算一直在幫助人類拓展邊界。宏觀擴展如宇宙天體，微觀深入像生命科學(xué)，還有對一些極端情況的模擬。超算將繼續(xù)在這些尖端科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮作用。

未來發(fā)展或?qū)⒊跸胂?/strong>

花費約200秒，就能完成傳統(tǒng)超算需要1萬年才能完成的計算任務(wù)——2019年，谷歌公司團隊宣布成功演示“量子霸權(quán)”。這個消息引起軒然大波，一場全球范圍內(nèi)的“量子霸權(quán)”爭奪戰(zhàn)由此愈發(fā)激烈。量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算理論和技術(shù)。與經(jīng)典計算機相比，量子計算機可以不受物理結(jié)構(gòu)的局限，利用量子位及其相互作用在瞬間進行大量計算，理論上能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超經(jīng)典計算技術(shù)的計算性能。科學(xué)家們預(yù)言，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子計算機的能力將會遠(yuǎn)超任何一臺經(jīng)典計算機。那么，量子計算會取代原有的經(jīng)典計算嗎？今天，我們似乎有了一個明確的答案：不會，至少在短時間內(nèi)，量子計算無法取代經(jīng)典計算。

量子計算與經(jīng)典計算基本原理不同、結(jié)構(gòu)不同，二者所擅長計算的問題也不同，因此量子計算機與經(jīng)典計算機并非“取代”與“被取代”的關(guān)系。從實際應(yīng)用角度，量子計算永遠(yuǎn)不會完全取代傳統(tǒng)超算，兩者各有所長，將協(xié)同工作。此外，對于量子計算研究來說，實現(xiàn)“量子霸權(quán)”只是第一個階段性目標(biāo)。目前來看，量子計算機還處于發(fā)展早期，技術(shù)上還存在許多挑戰(zhàn)和難點?！傲孔影詸?quán)”只是證明了在某個特定問題上，量子計算機的計算能力超過現(xiàn)有最強的傳統(tǒng)計算機。比起已經(jīng)深入社會各行各業(yè)的高性能計算，量子計算想要實現(xiàn)商用還需要一段時間。不過，這并不意味著高性能計算就能“高枕無憂”。近年來，經(jīng)典計算和量子計算的有機融合，正在日漸成為重點研究方向。

中、美、日、歐等傳統(tǒng)高性能計算強國和地區(qū)，正在逐步開展量子計算和經(jīng)典計算共同執(zhí)行的混合算法，探索量子計算和經(jīng)典計算的融合體系結(jié)構(gòu)、計算系統(tǒng)等。在高性能計算的未來發(fā)展中，量子計算技術(shù)的地位將愈加凸顯。超級計算機將成為量子計算和經(jīng)典計算的深度融合系統(tǒng)，二者互為重要算力補充，面向不同類型的計算問題各自發(fā)揮出更大的作用。未來的高性能計算，將超乎我們的想象。

文字｜逯心一 范寬 高莉華來源｜中國軍網(wǎng)、新華社