什么是超级计算机？是哪个国家发明的？ 叫什么名字？ 它的运算速度是多少？

什么是超级电脑呢？按照美国传统词典的解释，它是一种主机
电脑，是在一定时期内可以得到的一种最大的、运行速度最快 的、功能最强的电脑。超级电脑可以进行高速度和大存储量的 计算。

*超速运算*

超级电脑的速度有多快呢？德国曼海姆大学、美国的田纳西大 学和美国能源部的劳伦斯-伯克利实验室的专家指出，目前全 球速度名列前茅的五百部超级电脑中，速度最慢的，每秒钟能 运算将近两千亿次。而在速度最快的一批电脑中，有47台每秒 钟运算次数超过了一万亿次。其中的冠军是日本研制的超级电 脑，名叫“地球模拟器”，每秒能进行的浮点运算次数接近36 万亿次。 这还刚刚达到了理论速度极限的87%，也就是说，可 能还有增加的潜力。

不过运算次数接近36万亿次，是个理论上的数字。而在实际应 用中呢，往往比理论数字要低一些。“地球模拟器”中心的负 责人说，这座超级电脑在运行一套气象模型软件的时候，速度 超过每秒26万亿次。在超级电脑领域，是“强中更有强中 手”的，是“江山代有才人出，各领风骚没几年”的。最 近，IBM，也就是国际商用机器公司，获得了为美国能源部制 造两台最快速的超级电脑的合同。这两台电脑将把目前的世界 冠军远远抛在后边。这就是说，超级电脑将变得更加超 级。IBM的专家纳尔逊说：“比起现状来，这将是一大飞 跃。”

*IBM新秀*

IBM 的这两台新机器，一台叫“蓝色基因”，计算速度可以 达到每秒钟360万亿次。另一台叫ASCI 紫色，运算速度每秒钟 100万亿次。这分别是现有的最快的超级电脑的将近3倍到十 倍。而两部电脑合起来，每秒钟能联合运算四百六十万亿次。 数据处理能力相当于目前世界上五百部功能最强大的超级电脑 的总和的一倍半。

这些速度是个什么概念呢？让我们拿个人电脑来比一比。【合 众国际社】说，现在最快的个人电脑每秒钟能处理10亿条指 令，而超级电脑的浮点运算要比这复杂得多。 IBM 表示，未 来的“蓝色基因”超级电脑处理信息的速度相当于普通家用电 脑的四十万倍。IBM因特网技术和战略部的负责人纳尔逊说： “一些科学家说，这是有史以来第一次，电脑有了和人脑一样 的对信息进行粗处理的能力。”

*深蓝下棋*

超级电脑的用途是什么呢？可以从事模型处理，一些大公司用 它来开发产品和检验产品的应用。一些政府机构用它来进行大 规模试验、计算和研究。例如现有的一台IBM超级电脑叫“白 色”，它的运算速度是每秒7.2万亿次，它用于模拟核爆炸和 宇宙的形成、从事飞行器设计、药物合成等。超级电脑可以用 于观察气象、预测天气。这个工作涉及的因素很多，用超级电 脑来估算比较容易算准。而预测地震呢，所需要的计算就更复 杂了，即使是现在最快的超级电脑“地球模拟器”也做不 到。“地球模拟器”中心的负责人说，他希望，下一代 的“地球模拟器”能预测地震。

超级电脑还有个用途是监视那些从外太空飞向地球的物体，看 看它们到底是陨石、太空船、掉落的人造卫星还是UFO，也就 是，不明飞行物。夏威夷的一个高性能电脑中心有一台IBM超 级电脑就是干这个的。它能迅速的把太空望远镜拍下的模糊影 像转换为清晰的移动图像，以便美国空军看出那究竟是什么东 西。这个超级电脑每秒能运算4800亿次，比IBM超级电脑“深 蓝”要快上将近40倍。“深蓝”曾经在1997年和国际像棋大 师卡斯帕罗夫下棋，下赢了。

IBM计划建造的两台功能最强大的超级电脑将用于模拟核武器 试验以及从事其它科学研究。IM从明年开始在北加州的利弗 莫尔国家实验室安装这两台机器，估计2005 年完工。电脑实 验室科研人员不等完工就将部份的使用“ASCI 紫色”电脑。 美国能源部将用它来模拟核武器爆炸，而不用进行地下核试 爆。

*核武模拟*

利弗莫尔国家实验室核武器项目负责人、物理学家布鲁斯-古 德温说：“ASCI紫色”机是核武器物理学家十分盼望的机 器。长期以来，他们梦想进行逼真的氢弹爆炸立体模拟，新电 脑让科学家如愿以偿。这样的模拟，需要超级电脑分秒不停的 连续运算两个月。科学家们通过模拟解决核武器老化等问题， 改进并设计新武器。

另一台超级电脑“蓝色基因”可以储存相当于十亿部书的信 息，可以模拟各种物理现像，预测材料的性能、烈性炸药 的“行为”以及地球大气层和污染源之间的相互作用等等，可 以用于气象研究，例如飓风预报，以及生物学的DNA 分 析。IBM的专家纳尔逊说：“这些机器能从事气象、核武 器、DNA分子等各方面的，比过去先进得多的模型建造。”

关于IBM计划制造的这两台超级电脑之间的区别，物理学家古 德温说：“蓝色基因”有如超音速战斗机，速度快但功能比较 少，而“ASCI 紫色”象是747客机，功能更多，但是飞行速 度比较慢。

*硬件结构*

在硬件结构方面，超级电脑的机身，往往不是一个，而是一 群；所占的地方，往往不是一点，而是一片。有不少超级电 脑是庞然大物。例如[ASCI 紫色]电脑重一百九十七吨，体积 相当于两百个电冰箱的大小；里面有二百五十多公里长的光纤 和铜制的电缆，具有超强的存储功能。

微处理器，或者叫微处理芯片，相当于电脑的大脑。现在， 单个的芯片的速度远远达不到超级电脑的运算速度，那么超级 电脑的速度从何而来呢？是通过联合使用大量芯片而创造的。 有些超级电脑乾脆就是由一大批个人电脑组成的电脑群。这采 用的是“蚂蚁雄兵”的战略。 IBM公司超级电脑部门的副总 裁戴维·图瑞克表示，超级电脑其实是一组组的电脑经由软件 结合起来，步调一致，能象一台电脑一样的运作。

一台个人电脑一般有一两个微处理芯片，相比之下，超级电 脑“白色”使用了8000多个处理器，协同动作。而NEC，也 就是日本电气公司研制的“地球模拟器”呢，采用了常见的平 行架构，使用了5000多个处理器。“蓝色基因”将使用十三 万个IBM 最先进的Power5 微处理器。[ASCI 紫色]电脑使用大 约一万两千六百个IBM 新型芯片，

微处理器那么多，难免有的处理器会失灵。IBM的专家纳尔逊 说，新的电脑系统将能自动绕过失灵的部件。纳尔逊说： “最大的挑战是，制造一台可以自己管理自己的电脑。我们必 须研制出可以监督每个芯 片健康状况的软件。在出现问题的 时候，可以通过备用芯片或者叫候补芯片来完成任务，而不必 关机更换芯片卡。”

*信息传送*

除了处理信息的速度问题，还有信息的传送速度问题。 也就 是说，需要有足够的信息及时传过来以便让处理器来处理，否 则处理器就会停工待料。如果超级电脑不能很快地从记忆里提 取数据，那么超速处理的能力也就没用了。田纳西大学的超级 电脑专家唐加拉说，发展‘快速提取’来支持‘高速运 作’，是IBM面临的一个挑战。唐加拉说： “这个挑战是， 要在电脑内设立一个网络，让所有的数据快速沟通，从而使处 理器工作的时候不必等待。目前，制造高性能电脑的关键障碍 在于解决数据传输的瓶颈问题。”

*光导技术*

未来的超级电脑会采用什么新技术来更上一层楼呢？IBM 的超 级电脑部门负责人纳尔逊说，光学技术，也就是利用玻璃纤维 而不是用金属导线来传递信号，能够提高处理速度。纳尔逊 说： “这实际上是下一代的超级电脑了。这意味着，使用光 学信号交换器和光学网络把超级电脑的各个部件连接到一起， 可以使整个系统的效率提高十倍，甚至一百倍。”

*造价昂贵*

名列前茅的超级电脑的造价如何呢？最近IBM 和美国能源部签 订的制造超级电脑的合同，价值两亿九千万美元。而NEC 的“地球模拟器”，造价是4亿美元。为什么美国的两台更先 进的超级电脑的造价，比日本的这一台超级电脑还要低呢？这 是因为日本的超级电脑使用的处理器是专门为超级电脑设计 的，所以比较贵。而美国的超级电脑使用的处理器是能在商业 上通用的，能大批量生产的，因此比较便宜。所以，今年4 月，当NEC从美国手中夺走超级电脑冠军称号之后，有的美国 学者不甘示弱，强调在评比超级电脑的时候不能只看运算速 度，更要看工作效率和性能价格比。

*IBM领先*

今日之世界，哪个国家使用和制造超级电脑最多呢？是美国。 根据德国曼海姆大学、美国的田纳西大学和联邦能源部的专家 在十一月中旬公布的关于全球头五百部超级电脑的联合报告， 这些电脑有46% 置在美国，有91%美国制造的。如果单论技术 性能，NEC的“地球模拟器”暂时技压群雄。而若论商业市 场，则是IBM遥遥领先。今年8月，信息产业的评级机构IDC 发表了“全球高性能运算市场营收报告”。报告显示，在全球 使用超级电脑的公司机构中，IBM产品占的份额最多，名列第 二的是新惠普公司。此外，NEC、美国的升阳公司和克雷公司 也这一领域竞争。

*国家资助*

为什么美国在超级电脑领域领先呢？除了美国科技发达，人才 济济和财力雄厚的因素之外，几十年来美国的核武器研究也带 动了超级电脑工业的发展。最先进超级电脑的第一台经常被国 家武器实验室购买。冷战期间在内华达州进行的核试验取消 后，核武器研究人员对电脑功能的需求更迫切了。美国的超级 电脑有许多安装在国家实验室。世界上功能排名第二和第三的 [惠普公司]的ASCI Q 电脑都在阿拉莫国家实验室，排名第四 的“ ASCI 白色”超级电脑在利弗莫尔国家实验室。

*排行效应*

和个人电脑相比，超级电脑的市场非常小。那么，为什么象 IBM 这样的公司这么卖力气来研制超级电脑呢？伯克利国家能 源实验室计算中心负责人霍斯特说：登上五百大超级电脑的排 行榜首，就象获得奥林匹克金牌；不少公司用这份名单来影响 他们的顾客。田纳西大学的唐加拉说： “这些公司是在用这 样的研究工作来帮助他们的技术发展。”唐加拉说： “这也 是改良产品的途径。这些尖端技术会渗透到我们的日常用品 中。”

BM 期待把用于两台超级电脑的Power5 芯片，从明年起用于商 业用的电脑服务器，随后用于台式电脑，还可能用于电子游戏 机。IBM 希望芯片的商业应用换来利润回报。

超级计算机

超级计算机即超级电脑。比普通的个人电脑强，它的体系设计和运作机制都与我们日常使用的个人计算机有很大区别。现有的超级计算机大都可以达到每秒万亿次以上。

[编辑]存在的超级计算机
排名 名称 国家
1 蓝色基因(BlueGene/L) 美国
2 哥伦比亚(Columbia) 美国
3 地球模拟器(Earth Simulator) 日本
17 曙光4000A 中国
不详 Google 美国
[编辑]超级计算机展望
人类对计算能力的需求是永无止境的，而在各种类型的计算系统中，超级计算机的性能最高。90年代以来，超级计算机在工业、商业和设计等民用领域的重要性越来越明显了。因此，超级计算机的发展，不仅会深刻地改变产品和材料的设计方法，改变研究和实验的方式，而且将逐步影响人们的生活方式。超级计算机已经成为体现一个国家经济和国防力量的重要标志。

20多年来，超级计算机的工作频率只提高了将近10倍，而峰值速度却提高了1万倍。这说明，主要的性能改善来自结构的进步，尤其是来自各种形式的并行处理技术。但是，超级计算机的用户们关心的并不是系统在理论上的最高速度，而是实际解题所需要的时间和程序设计及移植的工作量。

面临的主要问题

并行处理是提高计算机系统性能的重要途径。目前几乎所有的高性能计算机系统，都或多或少地采用了并行处理技术。但是，并行处理的引入也带来了两个问题，即实际性能差和可编程性差。这些问题的存在不仅使并行计算机系统失去了其性能价格比优势，而且大大减弱了并行计算机在求解单个大问题方面的能力。

在超级计算方面获得的经验主要来自向量处理机和向量多处理机。现在已经发现，在向量超级计算机中可以忽略的许多问题，如问题分割、负载平衡、通信效率等，对并行计算机的性能起着关键的作用。因为这些问题及其作用形式随应用领域、体系结构和系统软件的不同而有较大的差异，很难找到系统性的方法来消除它们对性能的影响。因此，一些关键理论和技术的进一步研究和发展已成为超级计算科学能否很好地利用并行处理系统不断提高其潜在性能的关键。

超级计算理论

所谓超级计算理论，就是涉及超级计算机和超级计算科学的基本理论，它研究如何设计高性能的并行计算系统，如何发挥超级计算机的性能，为超级计算科学服务。超级计算理论主要包括下面三个方面的内容，即超级计算(或并行处理)模型、超级计算方法和超级计算机系统。

超级计算理论的突破口是并行计算模型。并行计算模型是并行体系结构和并行算法之间的接口界面。在这一界面的约定下，并行系统的设计者可以设计对并行性的支持机构，以提高系统性能；算法设计者可以发展高效率的计算方法以充分利用并行系统的计算能力。

目前通行的将串行算法(程序)人工或自动地改为并行算法(程序)的做法有很大的局限性。因此，从并行处理的角度重新考察应用问题的数学或物理模型才是根本的出路所在。计算效率或实际计算时间(而不是处理机效率)应是评价不同算法性能的惟一标准。

对于超级计算系统，下述几个部分是决定整个系统性能的关键：高速的单元处理机、存储系统、通信机制、同步机制和I/O系统。为了提高并行系统的实际速度，一方面要改进这几个部分的结构设计，另一方面必须改善系统软件的效率，加强静态和动态优化的能力。尤其是应注意发展能有效地隐藏或容忍较长访问延迟的新技术和新结构，以避免CPU周期的浪费。

超级计算理论的三个方面以往分属不同领域。

发 展

根据着名的摩尔规律，集成电路芯片上可集成的晶体管数呈指数增长(平均每三年翻两番)。如果这一规律在下世纪初仍能适用，那么我们很快就会看到集成了几十亿甚至几百亿个晶体管的芯片。如何有效地利用如此庞大的资源为日益增长的计算需求服务，是摆在计算机系统设计者面前的一项重大挑战。可以继续通过增强动态调度能力开发指令级并行性，也可以直接在芯片上集成多个CPU和高速缓存以构成一个片内的对称多处理机；可以引入可同时执行的多线程结构来隐藏访问存储器的延迟，还可以直接在芯片上集成大容量的动态存储器。硬件实现虽然复杂，但毕竟是能够做到的。问题的关键还是在于应用程序究竟能获益多少。超级计算理论的突破应该能回答这个问题。