珠算，計算科學(xué)之母

1+1=？

對遠(yuǎn)古時代的原始人來說，這是個大大的難題。捕獲野獸的個數(shù)，采集果實(shí)的多少，用什么方法來表示呢？原始人學(xué)會用一塊石子、一根木條或者用長繩打個結(jié)的方法來計數(shù)——這就是人類數(shù)學(xué)探索的原始實(shí)踐。

數(shù)學(xué)的誕生，點(diǎn)燃了人類文明的圣火。古書記載，大禹治水的重要法寶，就是勾股術(shù)。浩瀚的洪水從高向低奔涌，疏通河道必須確定和控制兩處水位的高低差，大禹巧妙地運(yùn)用勾股術(shù)明確了水位高低差。人類文明前進(jìn)的步伐勢不可擋，對計算的需求也與日俱增，算盤應(yīng)運(yùn)而生。

中國是算盤的故鄉(xiāng)。秦漢最早出現(xiàn)“珠算”一詞，第一只算盤的創(chuàng)造者是普遍公認(rèn)的“珠算之父”——東漢劉洪。“一上一，二上二，三下五除二，四去六進(jìn)一……”珠算給點(diǎn)校計數(shù)帶來了便利。算盤以其強(qiáng)大的功能，很快被人們接受。

珠算開啟了人類計算的新時代，在算盤基礎(chǔ)上發(fā)展的商貿(mào)，遍布五湖四海；在算盤基礎(chǔ)上發(fā)明的天文歷法，成就非同凡響。諾貝爾獎獲得者李政道先生曾說：“中國在計算機(jī)方面應(yīng)比其他國家都先進(jìn)，中國的算盤就是最古老的計算機(jī)?！?/p>

超算，計算機(jī)家族中的巨無霸

隨著人類社會的進(jìn)步，手工計算已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會發(fā)展需求。20世紀(jì)40年代，世界第一臺計算機(jī)“埃尼阿克（ENIAC）”在美國問世。埃尼阿克是個笨重的家伙，有兩三間教室那么大，但它兩個小時就能解決100多名工程師花一年才能解決的問題。

隨著科技的發(fā)展，計算機(jī)變得輕便而靈巧，它成了我們工作、學(xué)習(xí)和生活中的親密伙伴。

在計算機(jī)家族中，還有一個特別的存在——超級計算機(jī)，它是計算機(jī)家族中的巨無霸。

如何讓導(dǎo)彈在茫茫太空中長途奔馳，準(zhǔn)確命中敵方目標(biāo)？

如何應(yīng)對“天有不測風(fēng)云”，防范和減輕氣候變化帶來的破壞？

超級計算機(jī)都能給出精準(zhǔn)的答案。

超級計算機(jī)在計算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲容量最大，通常占有一間房子、一層樓，甚至一幢樓的空間。如果把普通計算機(jī)的運(yùn)算速度比作人走路，那超級計算機(jī)的運(yùn)算速度則是火箭發(fā)射。超級計算機(jī)的計算速度，是每秒億次、十億次、百億次、千億次、億億次……

超級計算機(jī)為什么那么快呢？其秘密在于它擁有數(shù)以萬計的芯片，并能同時執(zhí)行任務(wù)。如何讓這么多的芯片發(fā)揮最大的效能呢？一個好的算法至關(guān)重要。

打個簡單的比方，1+1+1+1+1=5，這是加法。1×5=5，這是乘法。哪種算法更簡便呢？毋庸置疑，當(dāng)然是第二種。數(shù)字越大，簡便算法的優(yōu)勢越明顯。超級計算機(jī)由眾多芯片組成，采取最優(yōu)算法，當(dāng)然是普通計算機(jī)沒法比的。

中國超算，從模仿到引領(lǐng)華麗轉(zhuǎn)身

中華人民共和國成立之初便開始了計算機(jī)的艱難起步。在周恩來總理的領(lǐng)導(dǎo)下，數(shù)學(xué)家華羅庚為中國計算機(jī)事業(yè)發(fā)展繪制了藍(lán)圖。中國第一臺計算機(jī)在模仿和借鑒中誕生了。

改革開放的總設(shè)計師鄧小平說：中國要搞四個現(xiàn)代化，不能沒有巨型機(jī)。國防科技大學(xué)的科學(xué)家們立下軍令狀，承擔(dān)了巨型計算機(jī)的研制任務(wù)。研發(fā)過程中，各種復(fù)雜技術(shù)問題層出不窮。走什么樣的技術(shù)路線？采取什么樣的體系結(jié)構(gòu)？如何實(shí)現(xiàn)每秒一億次的運(yùn)算速度……一個個問題就像張牙舞爪的“攔路虎”?？茖W(xué)家們像戰(zhàn)場上沖鋒陷陣的勇士，把實(shí)驗(yàn)室當(dāng)戰(zhàn)場，披荊斬棘、攻堅克難。

1983年12月22日，中國第一臺每秒鐘運(yùn)算一億次以上的“銀河”巨型計算機(jī)，由國防科技大學(xué)計算機(jī)研究所在長沙研制成功。天上銀河，億萬星辰閃爍；地上銀河，筑就科技高峰。銀河二號、銀河三號相繼問世。石油勘探、火箭發(fā)射、氣象中長期預(yù)測……各行各業(yè)的需求紛至沓來，“銀河”系列巨型計算機(jī)為改革開放的中國貢獻(xiàn)了無窮的動力。

在中國科學(xué)家們的共同努力與拼搏下，我們的超算事業(yè)駛?cè)搿翱燔嚨馈薄?/p>

2009年，我國“天河一號”千萬億次超級計算機(jī)研制成功，使我國成為世界上第二個成功研制千萬億次超級計算機(jī)的國家。它榮登第36屆世界超算500強(qiáng)榜首。

2013年，“天河二號”超級計算機(jī)系統(tǒng)再登世界TOP500榜首，并在三年內(nèi)以每秒5.49億億次的峰值速度創(chuàng)造世界超算500強(qiáng)“六連冠”佳績。

2016年6月，“神威·太湖之光”正式發(fā)布，是全球第一臺性能超過十億億次的計算機(jī)。它使用的是“中國芯”，這芯片名為申威26010?！吧裢ぬ狻睋碛?0960塊這樣的“中國芯”。

2018年，我國累計有三臺超級計算機(jī)進(jìn)入了E級（每秒運(yùn)算一百億億次）超算研發(fā)，分別是“曙光”“天河”和“神威·太湖之光”，并實(shí)現(xiàn)了CPU和加速器的全面國產(chǎn)化。

2019年，全球超級計算機(jī)TOP500排行榜顯示中國超級計算機(jī)有226臺進(jìn)入了榜單，占比達(dá)到45.2%，在數(shù)量上超過了美國。

2024年，中國算力總規(guī)模已位居世界第二。國家超算互聯(lián)網(wǎng)平臺上線，構(gòu)建全國一體的算力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)和面向應(yīng)用的生態(tài)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。

超算，為解決科技工程問題而生

超級計算機(jī)就像一位神奇的魔法師，能“算天”“算地”，還能“算人”，是數(shù)據(jù)之海的最強(qiáng)大腦。

算天。明天是下雨還是刮風(fēng)？三天后呢？一周后呢？超級計算機(jī)能在幾秒內(nèi)算出未來一周的天氣情況，在一天內(nèi)完成過去幾年甚至幾十年才能完成的計算工作。史上最強(qiáng)的“宇宙大片”，也是超級計算機(jī)的作品：“天河二號”超級計算機(jī)成功完成了3萬億粒子數(shù)和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進(jìn)程。

算地。建水電站了，怎樣應(yīng)對復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和強(qiáng)烈的地震活動呢？超級計算機(jī)進(jìn)行大壩抗震模擬計算，就能實(shí)現(xiàn)大壩地震安全的模擬分析，為水電站的建設(shè)運(yùn)行保駕護(hù)航。廣袤的大地下，珍貴的石油都藏在哪兒呢？超級計算機(jī)就像石油勘探的“神眼”，它分析并計算采集回來的地質(zhì)數(shù)據(jù)，揭開大地的秘密，盡可能準(zhǔn)確地找到石油。

算人。燦爛的生命到底擁有著怎樣的奧秘？超級計算機(jī)分析人類基因，能夠一步步解讀生命的精巧奇妙。危害人類健康的新病毒詭異多變，科學(xué)家通過做實(shí)驗(yàn)尋找對抗病毒的藥物分子就像大海撈針，快則三五年，慢則十多年，可超級計算機(jī)能夠在極短時間內(nèi)完成虛擬配對。

作為“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大腦”，超級計算機(jī)已成為解決重大工程和科學(xué)難題時的金鑰匙。超算作為一種重要的戰(zhàn)略資源，在推動科技與經(jīng)濟(jì)的騰飛中有舉足輕重的作用。中國超算是國之重器，它正在努力綻放。我國的國家超算中心已經(jīng)初步形成國家超算網(wǎng)格?？萍疾颗鷾?zhǔn)的國家超級計算中心有十多個，分布在天津、濟(jì)南、無錫、昆山、深圳、廣州、長沙等地。全國一體化算力體系的構(gòu)建，加速算力互聯(lián)互通，將更好地服務(wù)千行百業(yè)，激發(fā)新質(zhì)生產(chǎn)力澎湃動能。

中國超算驚艷了世界，也能感動我們的古代圣賢吧。如果劉洪看了“神威·太湖之光”，也會直呼“了不得，了不得”吧。

榮光|中國超算的威力

應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。C919的多種飛行狀態(tài)的模擬，就是由國家超級計算無錫中心攜手中國航空航天的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)共同完成的。通過精細(xì)的數(shù)值模擬，減少了風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)，降低了設(shè)計成本，給C919大型客機(jī)的氣動設(shè)計工作提供了重要指導(dǎo)。

應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。中科院上海藥物研究所利用優(yōu)化后的DOCK虛擬藥物篩選軟件，僅用4天便完成了寨卡病毒的虛擬藥物篩選工作。

應(yīng)用于地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域。清華大學(xué)、山東大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)借助“神威·太湖之光”共同完成“非線性大地震模擬”實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了唐山大地震過程的精準(zhǔn)模擬。這種精準(zhǔn)模擬可以更加深入地了解地震的發(fā)生和傳播規(guī)律。

應(yīng)用于船舶工程領(lǐng)域。國家超級計算無錫中心與中船重工第702研究所合作，基于神威平臺開發(fā)了計算流體軟件。這個軟件充分滿足了船舶設(shè)計的需求，為船舶工程領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。

未來超算將應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，如材料科學(xué)、能源、醫(yī)療健康等。