超级计算机的五大未来趋势

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随着我们的设备变得更适合联网，并且我们发现自己正在远离个人计算模式，我们大多数人想象中的“超级计算机”是那些婴儿潮一代梦想中的巨大、有趣的克雷（Cray）和IBM超级计算机，有着百万个闪烁的灯光以及曲柄和杠杆。但在世界各地，巨型并行系统——有时看起来比你想象的更像老式超级计算机！——仍在开发中。

我们大多数人都熟悉摩尔定律，其最基本的表述是计算机芯片的性能每18到24个月就会翻倍。人们很容易忘记这不仅适用于我们的笔记本电脑和台式机。我们所有的电子设备都受益于相同的改进周期：处理速度、传感器灵敏度、内存，甚至你相机或手机中的像素。但在量子力学产生某些效应之前，芯片只能做到如此小且强大，一些专家表示，这一在过去50年里惊人地准确的趋势，随着我们接近现有材料所能达到的实际极限，在未来十年可能会放缓[来源：Peckham]。

我们的手机和平板电脑可能是将大量计算能力缩小到可以带到海滩上的东西的结果，但我们看到的只是所有数据的表面。在幕后，“云”比以往任何时候都需要更多、更快的信息和计算，其增长速度与我们在屏幕这边所享受的数据质量和数量的增长速度一样稳定。从我们流式传输的高清电影，到我们日常生活中已经在使用的天气、交通和其他卫星信息，未来在于普通的老式数字运算。而这正是超级计算机最擅长的。

超级计算机展望

1. 艾字节每秒（Exaflops）及更高！

芯片组件的小型化只是事情的一半。在规模的另一端，有超级计算机：为强大性能而定制的设备。2008年，IBM的Roadrunner突破了每秒千万亿次浮点运算（petaflop）的障碍：每秒进行千万亿（10¹⁵）次运算[来源：IBM]。（FLOPS代表“每秒浮点运算次数”，这是我们用于谈论用于科学计算的超级计算机的标准，就像我们在本文中所讨论的那些计算机一样。）

用科学记数法表示，一个petaflop是以每秒10¹⁵次运算为尺度来衡量的。专家预测到2019年将会出现的艾字节每秒（exaflop）计算机，其运算速度为10¹⁸，比我们现在看到的petaflop计算机快一千倍[来源：HTNT]。为了便于比较，截至2011年6月，世界上最快的500台超级计算机加起来的运算能力仍不到60 petaflops。继续展望未来，泽字节每秒（zettaflops）在相同尺度上有所提升，到2030年将为我们提供每秒10²¹次运算，然后是尧字节每秒（yottaflops），达到10²⁴ [来源：TOP500]。

但这些数字到底意味着什么呢？嗯，首先，据信到2025年将有可能对人类大脑进行完整模拟，并且在10年内，zettaflop计算机应该能够提前两周准确预测整个天气系统。

2. TOP500.org

自1993年以来，TOP500项目一直是跟踪和检测超级计算趋势的核心资源。每年两次发布当前正在运行的最强大计算机系统的有序列表。这些排名基于一套特定的标准，即Linpack基准测试，该测试包括让超级计算机运行几个密集的线性方程并测量其响应时间。TOP500还附上每个系统的规格以及它将被使用的领域。

在2012年德国汉堡举行的国际超级计算大会上，自2009年以来，美国的一台超级计算机首次登上榜首：安装在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的IBM的Sequoia，其Linpack得分达到16.32 petaflops [来源：Perry]。Sequoia取代了日本的K计算机，K计算机在一年前以超过10 petaflops的得分从中国的天河 – 1A手中夺得榜首[来源：TOP500]。

3. 绿色超级计算机

像这样的CPU散热风扇很常见——计算机实际上将一半以上的能量用于控制温度。超级计算机工程师一直在寻求更好、更高效的方法来保持设备运行温度更低。

所有这些能量都是有代价的。如果你曾经因为散热片故障导致台式电脑崩溃，或者把笔记本电脑放在腿上坐了几分钟以上，你就知道这个代价是什么了：计算机使用大量产生热量的能量。事实上，超级计算机开发者面临的主要挑战之一是找到一种合理的方式来安装和使用这些强大的机器，而不会出现硬件故障或增加对地球的破坏。毕竟，天气模拟的主要用途之一将是监测碳和温度波动，所以增加气候学家试图解决的问题是非常不明智的！

任何计算机系统的可用性取决于它表现最差的时候，所以保持那些高温电路冷却非常重要。事实上，超级计算机使用的能量有一半以上直接用于冷却。但由于超级计算的未来与其他前沿科学和未来议程紧密相连，生态问题对高性能计算机工程师来说已经是非常重要的事情[来源：Jana]。绿色解决方案和能源效率是每个正在进行的超级计算机项目的一部分，事实上，Sequoia的效率是IBM这台超级计算机首次亮相就备受瞩目的一个重要的次要原因。

从用“自由空气”冷却（即设计将外部空气引入系统的方法）到最大化表面积的硬件设计，科学家们在效率方面的创新和在速度方面一样努力。几个团队正在使用的最有趣的想法之一是在一种传导液体中运行系统，这种液体吸收热量，然后通过容纳计算机组的结构管道传输。在冷却设备的同时加热水和房间，这一想法在超级计算机站点之外还有很多应用，而TOP500名单上的项目确实非常重视这类想法。

解决生态和效率问题不仅对我们的星球是个好主意，而且对于让这些机器运行也是必要的。这也许不是这项研究能给我们其他人带来的最迷人的应用——而你被承诺了未来趋势！

4. 人工大脑

让我们来谈谈2025年到2030年会发生什么，届时超级计算机将能够绘制人类大脑图谱[来源：Shuey]。雪城大学（Syracuse University）的一位科学家在1996年估计，我们的大脑存储容量在1到10太字节（terabytes）之间，可能在3太字节左右[来源：MOAH]。当然，这不是一个非常有用的比较，因为我们的大脑和计算机的工作方式不同。但在未来20年内，计算机应该能够像我们的大脑一样工作！

就像超级计算机已经在绘制和影响人类基因组、提供解决方案以及预测遗传医疗问题和倾向方面发挥作用一样，准确的人类大脑模型将意味着在诊断、治疗以及我们对人类思维和情感复杂性的理解方面的巨大飞跃。结合成像技术，医生将能够确定问题区域，模拟不同的治疗形式，甚至找到从一开始就困扰我们的许多问题的根源。可植入和可移植的芯片及其他技术可以帮助监测甚至改变与情绪障碍有关的血清素和其他大脑化学物质的水平，而严重的大脑故障和损伤可能会被逆转。

除了这项技术将帮助我们实现的医疗进步之外，还有人工智能（AI）这个小问题。虽然中等性能的计算能力已经给了我们一些强大的AI——更不用说那些已经根据AI算法推荐定制电视、电影、书籍选择的智能系统，或者我们与Siri和类似虚拟智能程序聊天所花费的时间了——但类人水平的“思维”复杂性意味着真正AI的应用。想象一下一个像医生一样回应的Web MD，对你提出的问题给予专家级的关注。然后，将这个概念扩展到医疗问题之外，到虚拟专家，在一个舒适、对话式的环境中解释你需要知道的任何事情。

5. 天气系统和复杂模型

随着超级计算机变得越来越先进，它们创建天气预测模型的能力也将提高。我们将不必等待像这样的风暴等天气事件出现，然后再分析与之相关的数据。

希望到2030年，zettaflop超级计算机应该能够准确地对至少两周后的整个地球天气系统进行建模[来源：Thorpe]。我们所说的是对我们整个星球和生态圈99%到100%准确的模拟，只需按下一个按钮就可以得到本地和全球的预测。先不说灾难情况，这可能看起来是一个相对专门的应用——除了安排婚礼或度假，你上次需要提前数周或数月知道天气预报是什么时候？——但考虑一下这里的信息规模。

地球的气候是一个如此复杂的系统，以至于它经常在混沌理论的讨论中被提及，这是我们大多数人所能理解的最大程度的复杂性：“巴西一只蝴蝶扇动翅膀会在德克萨斯州引发龙卷风吗？”这是菲利普·梅里利斯（Philip Merilees）在1972年首次提出的经典问题（尽管在这种情况下气象复杂性的概念可以追溯到1890年的庞加莱（Poincaré））[来源：Wolchover]。当你这样想的时候，很难想象一个比我们的天气模式和系统规模更大、更复杂的系统了。

粮食生产和农业、天气对其他大规模科学项目（例如航天飞机发射或极地探险）的影响，以及预防性的救灾只是这种计算能力给我们带来的一些重要——且拯救生命的——变化。

当然，天气系统在这里只是冰山一角：如果你能想象出完美模拟的天气模式，那么对任何类似庞大而复杂的系统进行正确建模就只是一步之遥。整个星球和世界都可以在未来超级计算机的硅片和电流中实现。

6. 模拟世界

我们大多数人都熟悉在线多人游戏环境，并且还记得像“第二人生”（Second Life）这样的人造环境风靡一时的时候。虚拟现实作为科幻热点话题至少已经有一个世纪了。但是当你把这些想法与即将到来的超级计算能力相结合时，游戏和角色扮演环境将变得不仅仅用于娱乐。

虽然毫无疑问会有像“第二人生”和“黑客帝国”（The Matrix）那样令人惊叹的发展——以及随之而来的文化和社会变革——但在我们日常生活中的数据叠加概念是所有这种力量更令人兴奋和有用的应用。导游式的历史之旅、动态GPS导航和在线餐厅评论已经展示了这项技术的雏形。但是想象一下加速那些天气模式模拟，加入像人类思维和行为这样的混沌元素，你就可以测试土木工程、城市规划甚至食物和资源不平等的理论。

超级计算机不必猜测这些信息，尽管它们很擅长猜测：它们可以从任何可能的来源获取信息——从最新的热门推文到交通模式再到电网使用情况——并从中创建实时模型，不仅可以调节正在进行的因素，还可以为未来做计划。轮流停电、汽油短缺，甚至像奥运会这样人口密集活动周围的交通堵塞都将成为过去。

随着无处不在的WiFi互联网即将在全国和全球普及，提供超越4G的下一代连接，真正强大的模拟世界不久的将来将与我们已经生活的世界没有区别，只是更好。它将更知情、更个性化，最重要的是，赋予我们作为个人和作为一个文明将这些信息发挥到最佳用途的能力。而所有这些信息和动态可能性都将由我们现在才刚刚赋予生命的超级计算机的性能所带来。

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作为云的忠实用户，我喜欢轻装上阵。我个人只使用我的电脑硬盘大约1GB的空间，这样我就可以从最方便的设备访问我的媒体和工作项目。但是在了解超级计算机如何将计算能力的焦点进一步从我的手机和平板电脑转移开的过程中，我惊讶地发现，有多少真正对我们生活改善有未来意义的机会就在我们的掌握之中。