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「神威·太湖之光」登顶
上周，一则关于超级计算机的新闻低调地刷上了各大网络媒体的科技板块：
国际 TOP500 组织在德国法兰克福公布了最新的世界超级计算机 TOP500 排名，我国自主研制的「神威·太湖之光」超级计算机，每秒浮点运算次数达到 93 PFLOPS，成为全球最快的超级计算机。
（就是这台）
奇怪。这种极度增强民族自豪感的好事喜事，怎么没有头条置顶兼标红？！
这是因为。。。早在 2015 年中国科技部网站放出的新闻，另一台超级计算机——
由国防科技大学研制的「天河二号」超级计算机系统，在世界超级计算机 500 强排行榜上再次位居第一。这是「天河二号」自 2013 年 6 月问世以来，连续 6 次位居榜首，创造了世界超算史上连续第一的新纪录。
原来，人家中国这哥俩已连续 4 年蝉联世界超算冠军，怪不得大家都不关注了。无敌是多么~多么~寂寞。
在最新的十强榜单中，世界最快的超级计算机前三甲分别是「神威·太湖之光」 93 PFLOPS，「天河二号」 33.9 PFLOPS 和美国「泰坦」17.6 PFLOPS。
（「天河二号」超级计算机）
（美国「泰坦（Titan）」超级计算机）
此外，十强榜单里第 4-10 名还有以下的计算机，来一波美图！
（美国「红杉(Sequoia)」超级计算机，17,173.2 TFLOPS）
（美国「科里（Cori）」超级计算机，14,014.7 TFLOPS）
（日本「Oakforest－PACS」超级计算机，13,554.6 TFLOPS）
（日本「京(K)」超级计算机，10,510.0 TFLOPS）
（瑞士「戴恩特(Piz Daint)」超级计算机，9,779.0 TFLOPS）
（美国「米拉(Mira)」超级计算机，8,586.6 TFLOPS）
（美国「三一(Trinity)」超级计算机，8,100.9 TFLOPS）
除了「神威」「天河」，我朝目前还有「曙光」「银河」另外两个主力超级计算机系列，而国内的高性能计算企业中科曙光也于今年 7 月正式启动下一代的 E 级高性能计算机原型系统（每秒百亿亿次（Eflops）量级的计算机）的研制项目，预计在 2020 年左右发布。
（曙光星云超级计算机）
（银河—I 型超级计算机）
蓝鹅，好大喜功的悠久传统，无形中训练出一批越来越精明的吃瓜群众，大家纷纷疑惑：
弄辣么多超级计算机有什么卵用？
2
超级计算机是什么鬼
不得不承认这是个很有挑战性的问题，但是要「知其所以然」前须先「知其然」，我们得先知道超级计算机是什么鬼吧。
顾名思义，与一般的小型机相比，超级计算机就是具有超量级计算能力的机器。
我们的个人计算机功能貌似强大，但要是碰上处理超大的数据量以及特定的计算用途就跑不动了，计算能力远远跟不上。怎样解决这个窘境呢？
于是，一个很符合逻辑的办法就是，一台机子不行，那就把千千万万台机子连起来呗，机多力量大嘛。所以简而言之，超级计算机系统是一个把很多计算机的计算能力有机地叠加在一起，以便满足特定的计算应用的集群。
（超级计算机简单构造图）
（「泰坦」超级计算机的核心构造）
那他的具体作用在哪？
为此在下准备了 3 个小故事，带你进入未知的超级计算机世界。
故事一
Enigma
讲到超级计算机，溯源的话要提提图灵。
前年，一部叫《模仿游戏》的英国电影上映了。主演是本尼迪克·康伯巴奇，演过《神探夏洛克》，相信无人不知。而剧中他饰演的就是图灵，计算机之父。
（《模仿游戏》海宣传报）
整个故事的背景是二战的英国，为了破解德国密码系统 Egnima 并尽快结束战争，图灵奉命于危难之间，在分析了大量的德国电文后，发现许多电报有相当固定的格式。
以此为突破点，图灵想到了用「候选单词」这一方法来破译 Enigma 电文，并提出了唯有机器才能击败机器的理论。他率领军情六处的一众科学家秘密研发破译密码的机器，并于两年后成功破解了德军密码。但由于图灵作为同性恋的秘密被泄露给了英政府，最终受到非人的迫害并自杀……
（艾伦·麦席森·图灵，1912-1954，英国数学家、逻辑学家，被称为计算机之父）
直到 2009 年，在超过 30000 人的签名请愿下，英国首相布朗向全国人民正式颁布对图灵的道歉。2013 年，英国女王正式宣告对图灵「严重猥亵」罪的赦免。
而这个故事的主线就是如何破解 Egnima。Egnima 是德军使用的复杂密码加密机器，每天深夜自动切换密码，有 10^16 种不同的变化，用人工计算的方法根本来不及在下一次切换前破解，这使得盟军无法提前预知德军轰炸和潜艇猎杀的计划，损失惨重。
图灵发明的计算机能在短时间内破解密码，扭转了大西洋战场的局势，使二战结束至少提前两年。
（图灵机）
之所以提到这个故事，是因为这是最早利用计算机破译密码的例子了。如果用今天最快的超级计算机来暴力破解（就是不停地试） Egnima，需要多少时间呢？以「神威·太湖之光」9.3*10^16 的运算速度粗略地算，大概也就是 0.11 秒的事情！把实际的破解算法考虑在内，最久也只需几百秒。
如今，超级计算机被广泛运用在包括密码破译在内的数学问题的解决之中。四色问题、E8 结构、费克特(Fekete)问题、开普勒(Kepler)猜想、埃尔德什差异问题等著名数学难题，都是借助计算机来破解的。
近代数学史上「三大猜想」之一的四色问题，它在 1852 年被提出来，通俗版本是：「任意一个无飞地的地图都可以用四种颜色染色，使得没有两个相邻国家染的颜色相同。」（飞地指隶属于某一行政区管辖但不与本区毗连的土地，例如河北省的三河市、大厂回族自治县、香河县同属于廊坊市，但与廊坊市之间却隔着北京和天津。）
（世界地图能否只用四种颜色着色？）
这个看起来跟奥数没有违和感的问题，很容易理解，但在这一百多年的时间里，无数数学家前赴后继，还是无法解决。
（解决四色问题曾经用到的模型分析图）
多少个春夏秋冬过去了~~~
终于等来了超级计算机！
1976 年 3 月，在美国伊利诺斯大学两台不同的 IBM 360 电子计算机上，两名数学家哈肯和阿佩尔用了 1200 个小时，作了100 亿个判断，终于在 6 月份发现没有一张地图是需要五色的，从而证明了四色定理，并在《伊利诺伊数学杂志》发表了《任何平面地图都能用四种颜色染色》（Every planar map is four colorable）的论文，轰动了世界。
（IBM 360 计算机系统）
上过数学课的我们都知道，数学证明有两种方法，一种「蠢办法」和另一种「聪明的办法」。「蠢办法」实际上就是「穷举法」，把可能的情况都列举出来，因为对于人脑来说超级费力，所以说「蠢」。例如，要证明世界上没有黑天鹅，就通过找到无数只白天鹅来证明；而所谓「聪明的办法」就是用「漂亮」与「优雅」的严密逻辑来证明。
在过去，数学家们都会倾向于寻找「聪明的办法」来证明猜想的正确与否。
然而，超级计算机远超人脑的计算能力弥补了过去「蠢办法」的不足，使得运算量超大的「穷举法」变得异常直接，为解决数学史上的许多疑难杂症在独木桥外独辟了蹊径。如果阿基米德生活在当下，他可能会说：
给我一台超级计算机，我可以解决任何一个问题！
故事二
李世石
李世石居然输了！！！！
从首尔赛场传来的消息准确无误！而且输得那么难看，1-4 横扫，人类的颜面荡然无存！
这怎么可能！开赛前无论是科技界还是围棋界，根本对阿尔法狗战胜李世石不看好，棋圣聂卫平断言阿尔法狗根本不是李世石的对手，即便是 1997 年领导「深蓝」计算机第一次战胜人类国际象棋冠军的李开复，在接受腾讯采访时也对阿尔法狗的功力有所保留。
这一战，恐怕打了很多人的脸。但从此也让这个叫「人工智能」的潮词隔三差五地出现在新闻标题中。然而，你不知道的是，人工智能这朵迷人又抢眼的红花，没有了超级计算机这片绿叶的衬托，也是枉然！
你以为跟李世石对战的就只是那台电视直播里能看到的小电脑啊？错了！是后面看不到的庞然大物。
研制 AlphaGo 的英国 DeepMind 团队在《自然》上发表了一份名为 Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search 的相关论文，里面不仅介绍了 AlphaGo 的详细算法，而且提到了其硬件的一些基本情况。
（《自然》杂志发表 Deep Mind 团队论文）
这台计算机的单机版装有 48 个 CPU 和 8 个 GPU，算得上是小型的超级计算机，浮点运算能力可以达到 11 TFLOPS，但为了达到更好的运算性能，AlphoGo 在训练和对战时还接入到了 1920 个 CPU 组成的网络之中进行云计算，这远程的计算能力也能传输给 AlphoGo 使其性能比单机版翻了 40 倍，这才达到了挑战人类高手的门槛。
所以说，运算速度就是超级计算机的命根子！！
你也许会经常听到隔壁的电脑男谈论 i5、i7 CPU 的运算速度或频率，这个战斗数值放在超级计算机身上叫做每秒浮点运算次数（floating-point operations per second, FLOPS），也就是对浮点数据进行运算的速度能力。
FLOPS 的英汉对照如下：
一个 MFLOPS（megaFLOPS）= 每秒 10^6 次浮点运算
一个 GFLOPS（gigaFLOPS）= 每秒 10^9 次浮点运算
一个 TFLOPS（teraFLOPS）= 每秒 10^12 次浮点运算
一个 PFLOPS（petaFLOPS）= 每秒 10^15 次浮点运算
一个 EFLOPS（exaFLOPS）= 每秒 10^18 次浮点运算
而自从计算机诞生以来，人类制造的机器运算性能经历了巨大的飞越，运算速度蹭蹭地往上飙升。
大家或许对这些冰冷的数字没什么概念。以我自己使用的普通联想电脑为例，其搭载 i7-5500U 第五代酷睿处理器，主频是 2.4GHz，根据 Whetstone benchmarks 这款系统分析评测工具得出其浮点运算速度大致为 14.28 GFLOPS，也就是大概每秒 142 亿次运算。
所以粗略地作一下比较，一台「神威·太湖之光」的运算能力大致相当于 64 万台我的小破机，它开机 1 分钟的工作量等于小破机算 444 天，效率之高，不可谓不强悍！
这就是世界各国争先恐后地把超级计算机的运算速度往上提的原因。
人机大战故事中的人工智能由软件和硬件组成，算法是软件，而超级计算机则是不可替代的硬件，在与李世石这样的顶尖高手进行争分夺秒的对弈过程中，软件即使写得再漂亮，如果超算速度赶不上的话，李世石下好了子你的机器恐怕还没算完？
故事三
天宫一号
很多事情，对于你我，只有一次！
这不是心灵鸡汤，而是说，「天宫一号」空间飞行器要返回地球只能发生一次。
「天宫一号」是中国第一个目标飞行器和空间实验室，也是空间交会对接试验中的被动目标。它于 2011 年 9 月 29 日 21 时升空，目前已在太空逗留了 5 年有余，预计将于 2017 年返回地球。
（「天宫一号」目标飞行器）
问题是，人类飞行器在返回地球过程中会发生「黑障」现象，与大气剧烈摩擦使其上升至一千多摄氏度，并且通讯信号完全消失，这是一个十分危险的阶段，所以要提前预知其在降落过程中详细的飞行数据和安全系数，做到万无一失。
（飞行器返回地球躲不开的「黑障」现象）
但难题是，像这种耗资巨大、需动用各方面力量才能完成的高端空间飞行，研发人员在地面上根本不能做到一模一样的真实实验。而传统的风洞试验结果也并非 100% 绝对可靠。
这时候，超级计算机中便派上用场了。
国家计算流体力学实验室很机智地借用了国家超级计算无锡中心的「神威·太湖之光」超级计算机，对「天宫一号」返回过程进行了电脑试验，以进一步加强对数据可靠性的判断。
下面是超算的计算结果：
基于「神威·太湖之光」，研发人员把「天宫一号」飞行器两舱简化外形（长度 10 余米、横截面直径近 3.5 米）陨落飞行（高度为 65 千米 和 62 千米，速度为 13 马赫）绕流状态情况进行大规模并行模拟。
实验使用了 16,384 个处理器在 20 天内便完成常规需要 12 个月的计算任务，效率足足提高 18 倍，并且计算结果与另一个风洞实验结果吻合较好，为「天宫一号」飞行试验提供重要数据支持。
像上面的计算量，如果用普通计算机不知要算到猴年马月！
一直以来，包括航天领域在内的科学研究是复杂运算的重灾区。传统计算机由于运算效能低下使得很多科学研究不得不被阉割或者遗弃，而如今超算的加入则像是摘掉了科学家脑袋上的紧箍咒，使得科学的世界一下子神清气爽，自由度又上了一个更大的台阶。
3
路在何方？
三个故事讲完了，但超级计算机的应用并没有完。
此外，超级计算机还可以有下面脑洞大开的运用：
……
「但...理想很丰满，现实很骨感」
与中国超级计算机速度排名第一相对照的是——硬件很牛逼，软件很颓废，我国在超算应用方面严重落后。这就像中国足球，代表俱乐部的恒大在亚冠所向披靡，但国家队就踢得像坨屎一样！！
终于直到 11 月 17 日这一天的新闻：
2016 年度「戈登·贝尔」奖的谜底在盐湖城举行的国际超算大会（SC16）上揭晓。中科院软件所研究员杨超与清华大学副教授薛巍、付昊桓等人联合北师大组成的研究团队，凭借在「神威·太湖之光」上运行的「全球大气非静力云分辨模拟」应用一举摘得该项锦标，实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。
呼~这才勉强挽回了一点颜面。然而前路依旧漫漫！
同胞们！快来帮忙想想能用超级计算机干什么吧！不要让它们闲着。一旦发现，请就近联系国家超级计算中心，谢谢。
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