近年來，從金融到汽車、從教育到醫療，人工智能技術，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”，人工智能技術的發展離不開服務于AI算法訓練和推理的高性能計算技術。

今天，我們就來聊一聊高性能計算。

計算機科學的“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，如同哥德巴赫猜想之于數學，是計算機學科領域內十分耀眼的存在。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性的問題。高性能計算機發展經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60年代開始，以單一內存向量機和對稱多處理器技術為主。20世紀90年代后逐步進入到多計算機時代，其中采用商用網絡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構建的主要方式。集群是計算機和網絡的結合。假如說，互聯網是從外部將分立的計算機連接在一起，那么集群就是將網絡內部化，讓網絡成為系統內部不同計算機的溝通橋梁。往簡單里說，其實就是將網絡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”。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，但是如果想實現大型三維8K高清動畫渲染，就難以勝任，這說明當前計算機的算力已經不支持完成當前的工作了。此時通過網絡將多臺計算機進行連接，把這些設備的算力進行疊加，就可以完成一臺計算機完不成的任務。高性能計算集群是將多個計算節點組織起來，通過高速網絡連接在一起的大規模并行計算系統。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，“超級大腦”具有強大的計算能力，可以完成更多計算任務。

相較于普通計算機，高性能計算集群的運算速度能夠達到令人難以想象的程度。此外，高性能計算還可以通過大規模的分布式計算技術，將單個計算任務分解為多個子任務并行計算。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，多環節同時進行，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計，具有超低的故障率以及較好的穩定性和持續運行能力。這也奠定了高性能計算在計算機科學領域的“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展的新興產物。殊不知，高性能計算已經誕生并發展了相當長一段時間。隨著計算機硬件和軟件的不斷發展，高性能計算在很早以前就成了一個重要的研究領域和技術領域。20世紀六七十年代，美國超級計算中心、法國原子能和替代能源委員會、日本計算機科學研究所等機構紛紛推出了一批超級計算機系統，奠定了高性能計算的發展基礎。此后，超級計算機進入了快速發展期。各國投入更多的資金用于高性能計算的研發和應用。超級計算機性能速度不斷提升，各種新興應用也不斷涌現。

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超過每秒100億億次。

這顯示了超算技術驚人的發展速度。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創新和競爭的制高點。目前，世界各國在全球超算領域你追我趕，競爭激烈。美、歐、日等國家和地區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）計算機原型系統項目，已經全面啟動。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。

當然，研發E級超算，目的并非單純比拼運算速度，促進大規模應用、解決國家面臨的挑戰性問題，才是關鍵。

算天、算海、算地、算人

如今，業內人士常用“算天、算海、算地、算人”來形容高性能計算應用的無所不在。

算天——高性能計算廣泛應用于天氣預報、航天器設計、研究天體物理等。基于超算平臺開發的精細數值天氣預報系統，能以每12分鐘實時刷新未來6小時的氣象變化數據，并且準確預測未來15天以上氣象變化情況；研制一架大飛機，做全機風動試驗過去需耗費數年時間，利用超級計算機模擬仿真，幾天就能完成相關工作；2019年人類歷史上第一張黑洞照片終于問世，這張照片凝結了當時世界最先進的探測技術，也得益于超級計算機對海量數據的分析和處理。

算海——高性能計算在海洋環境預報、古氣候模擬、海洋藥物、海洋勘探等領域應用廣泛，已經成為人類認識海洋、探索海洋的利器。

算地——高性能計算常用來支撐地質鉆探、遙感測量、重大工程建設等。2023年5月，中國測繪科學研究院研究團隊自主研發了合成孔徑雷達干涉測量超算平臺，服務于地面沉降防治、地質災害隱患識別、地殼運動檢測等，也可為油氣田開采、采空區塌陷、大型基礎設施健康診斷等提供信息支持。

算人——與人的生命健康有關的應用，比如新藥研發、基因測序、腦科學等，都離不開高性能計算。近年來，各種新的檢查檢驗設備、可穿戴設備等，使得醫生和研究人員更容易獲得個人的健康、疾病數據，有助于從更多維度了解疾病發生過程。高性能計算可以幫助研究者和醫生從大量數據中摸索出規律，從而更加精準地診斷、治療疾病或者研發藥物。當前，高性能計算最令人矚目的應用，是超級計算機與人工智能的結合。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，那么算法是設計圖紙，數據是建筑材料，算力則是地基。一方面，當前人工智能對算力的需求呈指數式增長，需要更高性能的硬件系統提供算力支持。從ChatGPT3.0到ChatGPT4.0，其突破離不開人工智能大模型對海量數據的學習。

另一方面，超級計算機并非簡單地堆砌硬件就能達到更高性能，其發展需要復雜而繁多的網絡、軟件等的互聯互通，這便離不開人工智能的支持。因此，超算系統需要從計算密集型向數據密集型轉變，將傳統超算、AI算法、大數據相結合，實現具備面向海量數據的高性能分析能力的智能超算。

人類對超算應用的需求沒有止境。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，還有對一些極端情況的模擬。超算將繼續在這些尖端科學研究領域發揮作用。

未來發展或將超乎想象

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

量子計算與經典計算基本原理不同、結構不同，二者所擅長計算的問題也不同，因此量子計算機與經典計算機并非“取代”與“被取代”的關系。從實際應用角度，量子計算永遠不會完全取代傳統超算，兩者各有所長，將協同工作。此外，對于量子計算研究來說，實現“量子霸權”只是第一個階段性目標。目前來看，量子計算機還處于發展早期，技術上還存在許多挑戰和難點。“量子霸權”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有最強的傳統計算機。比起已經深入社會各行各業的高性能計算，量子計算想要實現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、歐等傳統高性能計算強國和地區，正在逐步開展量子計算和經典計算共同執行的混合算法，探索量子計算和經典計算的融合體系結構、計算系統等。在高性能計算的未來發展中，量子計算技術的地位將愈加凸顯。超級計算機將成為量子計算和經典計算的深度融合系統，二者互為重要算力補充，面向不同類型的計算問題各自發揮出更大的作用。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、新華社