綜述超級電腦
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資料來源：http://www.epochtimes.com 【大紀元12月20日訊】
什麼是超級電腦呢﹖按照美國傳統詞典的解釋﹐它是一種主機電腦﹐是在一定時期內可以得到的一種最大的､運行速度最快的､功能最強的電腦。超級電腦可以進行高速度和大存儲量的計算。
*超速運算*
美國之音12月16日報導，超級電腦的速度有多快呢﹖德國曼海姆大學､美國的田納西大學和美國能源部的勞倫斯-伯克利實驗室的專家指出﹐目前全球速度名列前茅的五百部超級電腦中﹐速度最慢的﹐每秒鐘能運算將近兩千億次。而在速度最快的一批電腦中﹐有47臺每秒鐘運算次數超過了一萬億次。其中的冠軍是日本研製的超級電腦﹐名叫“地球模擬器”﹐每秒能進行的浮點運算次數接近36萬億次。 這還剛剛達到了理論速度極限的87%﹐也就是說﹐可能還有增加的潛力。
不過運算次數接近36萬億次﹐是個理論上的數字。而在實際應用中呢﹐往往比理論數字要低一些。“地球模擬器”中心的負責人說﹐這座超級電腦在運行一套氣象模型軟件的時候﹐速度超過每秒26萬億次。在超級電腦領域﹐是“強中更有強中手”的﹐是“江山代有才人出﹐各領風騷沒幾年”的。最近﹐IBM﹐也就是國際商用機器公司﹐獲得了為美國能源部製造兩臺最快速的超級電腦的合同。這兩台電腦將把目前的世界冠軍遠遠拋在後邊。這就是說﹐超級電腦將變得更加超級。IBM的專家納爾遜說﹕“比起現狀來﹐這將是一大飛躍。”
*IBM新秀*
IBM的這兩臺新機器﹐一臺叫“藍色基因”﹐計算速度可以達到每秒鐘360萬億次。另一臺叫ASCI 紫色﹐運算速度每秒鐘100萬億次。這分別是現有的最快的超級電腦的將近3倍到十倍。而兩部電腦合起來﹐每秒鐘能聯合運算四百六十萬億次。數據處理能力相當于目前世界上五百部功能最強大的超級電腦的總和的一倍半。
這些速度是個什麼概念呢﹖讓我們拿個人電腦來比一比。【合眾國際社】說﹐現在最快的個人電腦每秒鐘能處理10億條指令﹐而超級電腦的浮點運算要比這複雜得多。 IBM 表示﹐未來的“藍色基因”超級電腦處理信息的速度相當于普通家用電腦的四十萬倍。IBM因特網技術和戰略部的負責人納爾遜說﹕ “一些科學家說﹐這是有史以來第一次﹐電腦有了和人腦一樣的對信息進行粗處理的能力。”
*深藍下棋*
超級電腦的用途是什麼呢﹖可以從事模型處理﹐一些大公司用它來開發產品和檢驗產品的應用。一些政府機構用它來進行大規模試驗､計算和研究。例如現有的一臺IBM超級電腦叫“白色”﹐它的運算速度是每秒7.2萬億次﹐它用于模擬核爆炸和宇宙的形成､從事飛行器設計､藥物合成等。超級電腦可以用于觀察氣象､預測天氣。這個工作涉及的因素很多﹐用超級電腦來估算比較容易算准。而預測地震呢﹐所需要的計算就更複雜了﹐即使是現在最快的超級電腦“地球模擬器”也做不到。“地球模擬器”中心的負責人說﹐他希望﹐下一代的“地球模擬器”能預測地震。
超級電腦還有個用途是監視那些從外太空飛向地球的物體﹐看看它們到底是隕石､太空船､掉落的人造衛星還是UFO﹐也就是﹐不明飛行物。夏威夷的一個高性能電腦中心有一臺IBM超級電腦就是干這個的。它能迅速的把太空望遠鏡拍下的模糊影像轉換為清晰的移動圖像﹐以便美國空軍看出那究竟是什麼東西。這個超級電腦每秒能運算4800億次﹐比IBM超級電腦“深藍”要快上將近40倍。“深藍”曾經在1997年和國際像棋大師卡斯帕羅夫下棋﹐下贏了。
IBM計劃建造的兩臺功能最強大的超級電腦將用于模擬核武器試驗以及從事其它科學研究。IM從明年開始在北加州的利弗莫爾國家實驗室安裝這兩臺機器﹐估計2005 年完工。電腦實驗室科研人員不等完工就將部份的使用“ASCI 紫色”電腦。美國能源部將用它來模擬核武器爆炸﹐而不用進行地下核試爆。
*核武模擬*
利弗莫爾國家實驗室核武器項目負責人､物理學家布魯斯-古德溫說﹕“ASCI紫色”機是核武器物理學家十分盼望的機器。長期以來﹐他們夢想進行逼真的氫彈爆炸立體模擬﹐新電腦讓科學家如願以償。這樣的模擬﹐需要超級電腦分秒不停的連續運算兩個月。科學家們通過模擬解決核武器老化等問題﹐改進並設計新武器。
另一臺超級電腦“藍色基因”可以儲存相當于十億部書的信息﹐可以模擬各種物理現像﹐預測材料的性能､烈性炸藥的“行為”以及地球大氣層和污染源之間的相互作用等等﹐可以用于氣象研究﹐例如颶風預報﹐以及生物學的DNA 分析。IBM的專家納爾遜說﹕“這些機器能從事氣象､核武器､DNA分子等各方面的﹐比過去先進得多的模型建造。”
關於IBM計劃製造的這兩臺超級電腦之間的區別﹐物理學家古德溫說﹕“藍色基因”有如超音速戰鬥機﹐速度快但功能比較少﹐而“ASCI 紫色”象是747客機﹐功能更多﹐但是飛行速度比較慢。
*硬件結構*
在硬件結構方面﹐超級電腦的機身﹐往往不是一個﹐而是一群﹔所佔的地方﹐往往不是一點﹐而是一片。有不少超級電腦是龐然大物。例如[ASCI 紫色]電腦重一百九十七噸﹐體積相當于兩百個電冰箱的大小﹔裡面有二百五十多公里長的光纖和銅制的電纜﹐具有超強的存儲功能。
微處理器﹐或者叫微處理芯片﹐相當于電腦的大腦。現在﹐單個的芯片的速度遠遠達不到超級電腦的運算速度﹐那麼超級電腦的速度從何而來呢﹖是通過聯合使用大量芯片而創造的。有些超級電腦乾脆就是由一大批個人電腦組成的電腦群。這採用的是“螞蟻雄兵”的戰略。 IBM公司超級電腦部門的副總裁戴維•圖瑞克表示﹐超級電腦其實是一組組的電腦經由軟件結合起來﹐步調一致﹐能象一台電腦一樣的運作。
一臺個人電腦一般有一兩個微處理芯片﹐相比之下﹐超級電腦“白色”使用了8000多個處理器﹐協同動作。而NEC﹐也就是日本電氣公司研製的“地球模擬器”呢﹐採用了常見的平行架構﹐使用了5000多個處理器。“藍色基因”將使用十三萬個IBM 最先進的Power5 微處理器。[ASCI 紫色]電腦使用大約一萬兩千六百個IBM 新型芯片﹐
微處理器那麼多﹐難免有的處理器會失靈。IBM的專家納爾遜說﹐新的電腦系統將能自動繞過失靈的部件。納爾遜說﹕ “最大的挑戰是﹐製造一臺可以自己管理自己的電腦。我們必須研製出可以監督每個芯 片健康狀況的軟件。在出現問題的時候﹐可以通過備用芯片或者叫候補芯片來完成任務﹐而不必關機更換芯片卡。”
*信息傳送*
除了處理信息的速度問題﹐還有信息的傳送速度問題。 也就是說﹐需要有足夠的信息及時傳過來以便讓處理器來處理﹐否則處理器就會停工待料。如果超級電腦不能很快地從記憶裡提取數據﹐那麼超速處理的能力也就沒用了。田納西大學的超級電腦專家唐加拉說﹐發展‘快速提取’來支持‘高速運作’﹐是IBM面臨的一個挑戰。唐加拉說﹕ “這個挑戰是﹐要在電腦內設立一個網絡﹐讓所有的數據快速溝通﹐從而使處理器工作的時候不必等待。目前﹐製造高性能電腦的關鍵障礙在於解決數據傳輸的瓶頸問題。”
*光導技術*
未來的超級電腦會採用什麼新技術來更上一層樓呢﹖IBM 的超級電腦部門負責人納爾遜說﹐光學技術﹐也就是利用玻璃纖維而不是用金屬導線來傳遞信號﹐能夠提高處理速度。納爾遜說﹕ “這實際上是下一代的超級電腦了。這意味著﹐使用光學信號交換器和光學網絡把超級電腦的各個部件連接到一起﹐可以使整個系統的效率提高十倍﹐甚至一百倍。”
*造價昂貴*
名列前茅的超級電腦的造價如何呢﹖最近IBM 和美國能源部簽訂的製造超級電腦的合同﹐價值兩億九千萬美元。而NEC的“地球模擬器”﹐造價是4億美元。為什麼美國的兩臺更先進的超級電腦的造價﹐比日本的這一臺超級電腦還要低呢﹖這是因為日本的超級電腦使用的處理器是專門為超級電腦設計的﹐所以比較貴。而美國的超級電腦使用的處理器是能在商業上通用的﹐能大批量生產的﹐因此比較便宜。所以﹐今年4月﹐當NEC從美國手中奪走超級電腦冠軍稱號之後﹐有的美國學者不甘示弱﹐強調在評比超級電腦的時候不能只看運算速度﹐更要看工作效率和性能價格比。
*IBM領先*
今日之世界﹐哪個國家使用和製造超級電腦最多呢﹖是美國。根據德國曼海姆大學､美國的田納西大學和聯邦能源部的專家在十一月中旬公佈的關於全球頭五百部超級電腦的聯合報告﹐這些電腦有46% 置在美國﹐有91%美國製造的。如果單論技術性能﹐NEC的“地球模擬器”暫時技壓群雄。而若論商業市場﹐則是IBM遙遙領先。今年8月﹐信息產業的評級機構IDC發表了“全球高性能運算市場營收報告”。報告顯示﹐在全球使用超級電腦的公司機構中﹐IBM產品佔的份額最多﹐名列第二的是新惠普公司。此外﹐NEC､美國的升陽公司和克雷公司也這一領域競爭。
*國家資助*
為什麼美國在超級電腦領域領先呢﹖除了美國科技發達﹐人才濟濟和財力雄厚的因素之外﹐幾十年來美國的核武器研究也帶動了超級電腦工業的發展。最先進超級電腦的第一臺經常被國家武器實驗室購買。冷戰期間在內華達州進行的核試驗取消後﹐核武器研究人員對電腦功能的需求更迫切了。美國的超級電腦有許多安裝在國家實驗室。世界上功能排名第二和第三的[惠普公司]的ASCI Q 電腦都在阿拉莫國家實驗室﹐排名第四的“ ASCI 白色”超級電腦在利弗莫爾國家實驗室。
*排行效應*
和個人電腦相比﹐超級電腦的市場非常小。那麼﹐為什麼象IBM 這樣的公司這麼賣力氣來研製超級電腦呢﹖伯克利國家能源實驗室計算中心負責人霍斯特說﹕登上五百大超級電腦的排行榜首﹐就象獲得奧林匹克金牌﹔不少公司用這份名單來影響他們的顧客。田納西大學的唐加拉說﹕ “這些公司是在用這樣的研究工作來幫助他們的技術發展。”唐加拉說﹕ “這也是改良產品的途徑。這些尖端技術會滲透到我們的日常用品中。”
IBM期待把用于兩臺超級電腦的Power5 芯片﹐從明年起用于商業用的電腦服務器﹐隨後用于臺式電腦﹐還可能用于電子游戲機。IBM 希望芯片的商業應用換來利潤回報。