想象一下，新藥的研制時間從數(shù)年縮短至數(shù)天。 高性能計算機 (HPC) 通過模擬、建模和分析，可以輕松解決這類以及更多其他科學難題。 高性能計算系統(tǒng)幫助人們解決世界上最棘手的難題，引領人類走向“第四次工業(yè)革命”。

高性能計算系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛用于：

• 尋找全新的藥物化合物并測試已知藥物組合，從而更好地治療不同種類的癌癥和其他疾病

• 模擬分子動力學以開發(fā)新材料，如防彈纖維織物

• 提前預測重大天氣變化，使受影響的地區(qū)做好準備

超級計算機代表著高性能計算系統(tǒng)最尖端的水平。 隨著處理能力的不斷演進，超級計算機的認定標準也會不斷提升。 單個超級計算集群可能包含數(shù)萬個處理器，使用全球最昂貴且最強大的系統(tǒng)，成本高達 1 億美元。

高性能計算的工作原理
在高性能計算中，處理信息的兩種主要方式為：

串行處理，由中央處理器 (CPU) 完成。 每個 CPU 核心通常每次只能處理一個任務。 CPU 對于運行各種功能而言至關重要，如操作系統(tǒng)和基本應用程序（如文字處理、辦公生產力工具等）。

并行處理，可利用多個 CPU 或圖形處理器 (GPU) 完成。 GPU 最初是專為圖形處理而設計的。它可在數(shù)據矩陣（如屏幕像素）中同時執(zhí)行多種算術運算。 同時在多個數(shù)據平面上工作的能力使 GPU 非常適合在機器學習 (ML) 應用任務中進行并行處理，如識別視頻中的物體。

突破超級計算的極限需要不同的系統(tǒng)架構。 大多數(shù)高性能計算系統(tǒng)通過超高帶寬將多個處理器和內存模塊互連并聚合，從而實現(xiàn)并行處理。 一些高性能計算系統(tǒng)將 CPU 和 GPU 結合在一起，被稱為異構計算。

計算機計算能力的度量單位被稱為“FLOPS”（每秒浮點運算次數(shù)）。 截至 2019 年初，現(xiàn)有的高端超級計算機可以執(zhí)行 143.5 千萬億次 FLOPS (143 × 1015)。 此類超級計算機被稱為千萬億次級，可以執(zhí)行超過千萬億次 FLOPS。相比之下，高端游戲臺式機的速度要慢 1,000,000 倍以上，可執(zhí)行約 200 千兆次 FLOPS (1 × 109)。 超級計算在處理和吞吐量方面的重大突破很快將會實現(xiàn)超級計算的下一個重大級別——百億億次級，該級別的速度比千萬億次級約快 1,000 倍。 這意味著百億億次級超級計算機每秒將能夠執(zhí)行 1018（或者 10 億 x 10 億）次運算。

“FLOPS”是對理論處理速度的描述，實現(xiàn)該速度需要連續(xù)向處理器傳輸數(shù)據。 因此，系統(tǒng)設計必須考慮到數(shù)據吞吐量這一因素。 系統(tǒng)內存以及處理節(jié)點之間的互連會影響數(shù)據傳輸?shù)教幚砥鞯乃俣取?/p>

為了實現(xiàn) 1 百億億次級 FLOPS 的下一級超級計算機處理性能，大概需要 5,000,000 個臺式機。*

*假定每個臺式機具備 200 千兆次 FLOPS 的能力

術語知識

• 高性能計算 (HPC)：一個廣義上的強大計算系統(tǒng)，其范圍涵蓋簡單計算機（如 1 個 CPU + 8 個 GPU），乃至世界一流的超級計算機

• 超級計算機：最先進的高性能計算機，以不斷提高的性能標準為依據

• 異構計算：優(yōu)化串行 (CPU) 和并行 (GPU) 處理能力的高性能計算架構

• 內存：在高性能計算系統(tǒng)中為實現(xiàn)快速訪問而存儲數(shù)據的地方

• 互連：可令處理節(jié)點互相通信的系統(tǒng)層；在超級計算機中存在多個級別的互連

• 千萬億次級：為達到每秒執(zhí)行千萬億次 (1015) 運算而設計的超級計算機

• 百億億次級：為達到每秒執(zhí)行百億億次 (1018) 運算而設計的超級計算機

新興應用領域

隨著技術的進步，高性能計算現(xiàn)已應用在更廣泛的領域。 我們現(xiàn)在擁有比以往更加強大的處理能力和內存，能夠解決更加復雜的問題。

• 機器學習：作為人工智能(AI)的一個領域，機器學習 (ML) 是指可以自己主動學習的系統(tǒng)，而不是被動地按照指令執(zhí)行任務。 高性能計算系統(tǒng)可用于高級機器學習來分析海量數(shù)據，例如用于癌癥研究，可以檢測照片中的黑素瘤。

• 大數(shù)據分析：快速比較和關聯(lián)海量數(shù)據，用于輔助研究和解決學術、科學、金融、商業(yè)、健康、網絡安全以及政務應用方面的各種問題。 此類工作需要巨大的吞吐量和計算能力。 NASA 每年大約生成 50 PB的任務數(shù)據，依靠超級計算來分析觀測結果并利用海量信息來進行模擬。

• 高級建模和模擬：高級建模和模擬不需要在早期階段進行物理構建，可使公司在節(jié)省時間、材料和員工成本的同時，更快地將創(chuàng)新產品投入市場。 高性能計算建模和模擬可用于藥物研制和測試，汽車和航空航天設計、氣候/天氣系統(tǒng)預測以及能源應用。