什么是超级计算机？超级计算机为何成为新基建之一？

超级计算机，也就是人们常说的超算或者高性能计算机。它被誉为计算机界“皇冠上的明珠”，可以说是国之重器。在信息时代，超算是衡量一个国家算力的重要标志之一，因此成为各国竞相争夺的战略制高点。虽然中国的超算起步较晚，但我国从零起步，打破西方封锁，一步步发展成为超算强国。

在国家超级计算无锡中心的机房里，“神威·太湖之光”超级计算机正在进行每秒10亿亿次的高速运算。每年3月，国家气候中心都会利用这台性能强大的设备，来预测当年6月到8月的汛期气候。

超算，也就是人们常说的超级计算机或者高性能计算机，如今已在许多领域得到广泛应用。那么什么是超级计算机呢?

什么是超级计算机?

超级计算机指的是拥有强大计算和储存能力的计算机，规格与性能比个人计算机强大许多，大多用于国家高科技领域和尖端技术研究。超级计算机和普通计算机构成组件基本相同，主要是由运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。我们打开超级计算机的一个计算单元来看看它的内部构造到底长什么模样。

联想中国区基础设施业务集团高性能计算资深架构师 郝常杰：在高性能计算系统里面主要的计算单元部分，它有两个CPU做计算，有内存来做支撑，还有本地的硬盘，计算能力非常非常强大。

如果把计算节点扩展很多倍，就构成了超算。当然超算并不是简单堆砌硬件就完了，它还需要复杂的网络、软件等。存放超级计算机，用来提供算力服务的地方就是超算中心。中国最快的超算“神威·太湖之光”就位于国家超级计算无锡中心。它诞生于2016年，共有40960颗国产芯片，峰值运算速度为12.5亿亿次/秒，曾经连续4次位列世界超算500强榜单第一名。

在最新一期全球超级计算机500强榜单中，中国的“神威·太湖之光”和“天河二号”排名第六和第九位。中国共有173台超算上榜，总量位居世界第一。

超级计算机为何成为新基建之一?

当今社会已经从传统的工业时代进入信息时代，人们生产生活的方方面面都与数据有关，所以数据被称为信息时代的石油，是最有价值的资源。谁掌握了数据，谁就掌握了快速发展的密码。不过，数据需要经过计算、处理才能被利用。这种计算能力就是算力，超级计算机就是具备超级计算能力和存储能力的计算机。

中科院计算所研究员 张云泉：数据就像是原油一样，油很多，但是没有加工厂就无法把它提炼成各种各样的汽油、柴油，各种有价值的化工品，所以我们就必须生产大规模的计算设备，就相当于我们去建一个大的化工厂是一样的，这样我们才有能力快速又好地去把大数据加工成各种各样我们需要的产品。

从模拟核试验、太空探索，到人类基因测序、医药研发、气候预测，甚至打车、购物、订外卖等等，都要靠算力设施来处理海量数据。算力设施，已经像铁路、公路、机场、水利一样，成为新时代必不可少的基础设施。2020年4月，国家发改委已经把以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施列为新基建内容，而超算是算力基础设施中的制高点。

中科院计算所研究员 张云泉：超算是大国重器，它是一个国家的综合国力的一个体现，很多的领域，比如说宇宙、化学、物理、天气预报，各行各业都需要科学计算，是必须抢占的制高点。

如今，世界已经进入数字经济时代，算力成为核心生产力。目前，我国在各地已建立起大大小小的国家级和地方级超算中心，构成我国的算力矩阵，总算力达到每秒一万三千亿亿次浮点运算，全球排名第二。

虽然我国已经进入世界超算第一梯队，但是回首往昔这一路走得并非一帆风顺。20世纪80年代，中国希望进行石油勘测，但苦于没有超算只得花大价钱从美国进口了一台，这是我国拥有的第一台超算，但是美国为了防止核心技术外泄，要求把设备放进全透明的玻璃房子里，中方的一举一动都被美方监控，甚至连开机密码和机房钥匙都由对方控制。

1983年，经过6年的研发，在科学家慈云桂的带领下，我国第一台超级计算机“银河”诞生，运算速度达到1亿次/秒，使中国成为继美国、日本之后，第三个能够生产超级计算机的国家。

2004年，“曙光4000A”诞生，首次进入世界前十。2008年，“曙光5000A”诞生，中国步入百万亿次级运算水平。2010年11月，“天河一号”首次位列世界超算500强榜单榜首。2016年“神威·太湖之光”凭借中国的自研芯片登顶，并获得被称为“超算领域诺贝尔奖”的“戈登·贝尔”奖，一举打破美日两国对这一奖项长达30年的垄断。

超级计算机如何发挥作用?

既然超级计算机这么厉害，那么就让我们具体看看它是如何发挥作用的。气候预测被公认是世界上最复杂的问题之一，需要大量的计算，而这正是超级计算机的强项。从2018年起，每年国家气候中心都会利用无锡超算中心的“神威·太湖之光”，来预测6月到8月的汛期气候。

国家超级计算无锡中心气象研发工程师 蔡蕙伊：用自己的笔记本电脑去做天气预报的话，我们可能要花几个星期，甚至一个月的时间都完成不了，但是如果把它放到超算上来做的话，只要短短几个小时就可以预报出一周的天气了。

运算结果表明，“神威·太湖之光”不仅算得快，而且算得准。有了超级计算机，研究人员不仅可以预测中国的天气和气候，甚至可以预测全球的天气和气候。不久前，中国科技大学的赵纯教授率领团队，用神威系列超级计算机首次实现了长达7天的全球3公里空间分辨率“大气物理-化学全耦合数值模拟试验”。这项成果对于预测极端天气、大气污染等事件具有重大应用前景，达到国际领先水平。

像无锡超算中心这样的国家级超算中心，主要为国家大型科研项目服务。此外，我国还有不少地方超算中心，为地方发展提供算力服务。北京超级云计算中心是由北京市政府和中国科学院共建成立的，由北京北龙超云负责日常运营。他们把算力搬上云端，这样中小企业和科研单位就可以在云端使用超算，开展科研活动了，极大地提高了效率，降低了成本。

北京超级云计算中心、北京北龙超级云计算有限责任公司总经理 吴迪：中小企业、科研单位经费特别紧张，不可能去自己建一个超算系统，所以我们以云服务的方式，让中小微用户能够快速地通过云服务的方式、租用的方式，开展科学研究。

凌空天行是国内一家商业航天企业。他们在研制火箭过程中，就多次用北京超级云计算中心的云超算去进行仿真计算，节省了大量时间与经费。

中国超算的迅速崛起，不仅让许多应用领域受益，而且还带动了与超算相关的技术发展，比如节能技术。超算功率非常强大，是名副其实的“电老虎”。据国家发改委统计，去年全国数据中心能耗达到2166亿千瓦时，甚至超过了三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和，因此迫切需要降低能耗。为了解决这一问题，联想研发出了温水水冷技术。

联想中国区基础设施业务集团高性能计算资深架构师 郝常杰：服务器在计算的时候，它的CPU的温度会变得非常非常高，能高到90多(摄氏)度，放一个鸡蛋就可以把它烧熟。

为了克服芯片发热的问题，联想独创了温水水冷技术。它用常温水为机器降温，既可以提升5%的算力，还可以降低42%的能耗，余热还可以被再次利用。

温水水冷技术已被北京冬奥会和许多数据中心所广泛采用。经过不断努力，中国超级计算机从无到有，直至步入世界先进行列。未来，我国还将在量子计算、云计算、大数据、人工智能等方面继续发力，打造深度融合的高性能计算服务平台。以超算为代表的国家新基建，未来将会有更大的用武之地。

超算现在已经融入我们生活的方方面面，惠及各个不同的行业，成为解决诸多难题的“超强大脑”。新一轮科技革命和产业变革正在重塑全球经济结构。算力作为数字经济的核心生产力，成为全球战略竞争的新焦点。加快推动以超算为代表的算力基础设施建设，将有效激发数据要素创新活力，加速数字产业化和产业数字化进程，支撑经济高质量发展，推动经济社会健康持续发展。

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