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你可能很难理解世界上最快的超级计算机的运算处理能力。 美国田纳西大学的计算机科学家杰克·东嘉利（Jack Dongarra）这样形容：“如果地球上的每个人每秒都做一次计算，那么需要四年的时间才能赶上这台超算一秒钟的计算能力。” 这台超级计算机名为“Frontier”，目前仍是世界上唯一一台百亿亿次级超算。 它位于美国田纳西州东部山区的橡树岭国家实验室，于 2022 年 5 月与公众见面，占据的空间足足有两个网球场那么大。 Frontier 使用了大约 5 万个处理器，远远碾压普通的个人电脑。 它的功耗约为 2000 万瓦，而笔记本电脑的功耗只有 65 瓦左右。它的建造成本是 6 亿美元。  图 | 橡树岭国家实验室的百亿亿级超算（来源：OLCF） 当 Frontier 上线时，它标志着所谓的百亿亿次计算（exascale computing）的问世。这意味着它每秒可以执行百亿亿次浮点运算（即 1018 次浮点运算）。 自它问世以后，科学家们还在制造更多这种速度极快的计算机：2024 年，美国和欧洲都将有几台百亿亿次超算投入使用。 但运算速度并不是终极目标。 研究人员正在建造的百亿亿次超算，将用于探索生物学、气候、天文学和其他领域以前无法解决的科学和工程问题。 在接下来的几年里，科学家们将使用 Frontier 来运行人类有史以来最复杂的计算机模拟。 他们希望探索尚未找到答案的自然问题，并设计包括交通、医学等许多领域的新技术。 例如，美国匹兹堡大学的埃文·施耐德（Evan Schneider）正在使用 Frontier 模拟我们的星系是如何随时间演变的。 她对银河系内外的气体流动特别感兴趣。 在某种程度上，星系是会“呼吸”的：气体流入其中，通过引力聚合成恒星。但气体也会流出，例如，当恒星爆炸并释放物质时。 施耐德研究了星系“呼气”的机制。 其表示：“我们可以将模拟与实际观测到的宇宙进行比较，这让我们知道我们是否得到了正确的物理原理。” 施耐德正在使用 Frontier 建立一个银河系的计算机模型，该模型具有足够高的分辨率，可以放大单个爆炸的恒星。 这意味着，该模型必须捕捉到 10 万光年外银河系的大尺度特性，以及直径约 10 光年的超新星的特性。 她说：“这从未有人实现过。” 你可能不清楚这种分辨率意味着什么。打个比方，它类似于创造一罐啤酒的物理精确模型，其精度为单个酵母细胞，并且可以展示酵母之间的相互作用。 通用电气的高级工程师司提反·普雷厄比（Stephan Priebe）正在使用 Frontier 模拟下一代飞机设计的空气动力学。 为了提高燃油效率，通用电气正在研究一种被称为“开放式风扇架构”的发动机设计。 喷气发动机使用风扇来产生推力，风扇越大意味着效率越高。 为了让风扇变得更大，工程师们考虑移除被称为发动机舱的外部结构框架，这样叶片就像风车一样暴露在外面。 “计算机模拟使我们能够在设计阶段的早期就获得空气动力学性能的详细视图，”普雷厄比说。 例如，它们让工程师们了解如何塑造更好的空气动力学风扇叶片，或者使它们更安静。 Frontier 将特别有利于普雷厄比对湍流的研究。湍流是被扰动的流体的混沌运动，在这种情况下，是风扇周围的空气。 在自然界中，湍流是一种常见现象。 我们可以在海浪的撞击中观察到它，也可以在蜡烛熄灭后升起的袅袅炊烟中看到它。 但科学家们仍在努力预测湍流究竟是如何流动的。 这是因为它的运动既受宏观影响（如压力和温度变化），也受微观影响（如空气中单个氮分子之间的相互摩擦）。 多重尺度上力的相互作用使运动复杂化。 “在读研究生的时候，（一位教授）曾经告诉我，'布朗森，如果有人告诉你他们懂湍流，你应该用手护住钱包，然后离开房间，因为他们想向你推销一些东西，’”美国天体物理学家布朗森·梅塞尔（Bronson Messer）说，他是橡树岭领导计算设施（Oak Ridge Leadership Computing Facility）的科学主任，Frontier 就在这个设施里。 “没有人理解湍流。这真的是最后一个伟大的经典物理问题。” 这些科学研究说明了超级计算机的独特优势：同时在多个尺度上模拟物理对象。 超算的其他应用也反映了这一主题。 Frontier 可以实现更精确的气候模型，这些模型必须在整个地球的不同空间尺度上模拟天气变化，同时也要在长时间和短时间尺度上模拟。 物理学家还可以模拟核聚变，即太阳通过将原子推到一起形成不同元素来产生能量的湍流过程。 他们希望更好地了解核聚变的过程，以便将核聚变发展成为一种清洁能源技术。 虽然这类多尺度模拟多年来一直是超级计算机的主要工作，但 Frontier 可以结合比以往更广泛的不同尺度。 为了使用 Frontier，获得批准的科学家可以远程登录到超级计算机，通过网络提交他们的工作。 为了充分利用这台机器，橡树岭的目标是让 90% 的超级计算机处理器进行每周 7 天、每天 24 小时的不间断计算。 梅塞尔说：“我们进入了这种稳定的状态，在这种状态下，我们在几年的时间里不断地进行科学模拟。” 用户将数据保存在橡树岭的数据存储设施中，该设施最多可存储 700pb，相当于大约 70 万个 1TB 移动硬盘的容量。 虽然 Frontier 是第一台百亿亿次超级计算机，但更多的超级计算机即将问世。 在美国，研究人员目前正在安装两台运算速度超过每秒 200 亿次的计算机：位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的 Aurora 和位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 El Capitan。 从 2024 年初开始，科学家们计划使用 Aurora 来绘制大脑神经元的图像，并寻找可以提高肥料生产等工业过程效率的催化剂。 El Capitan 也计划于 2024 年上线，它将进行核武器模拟，以帮助政府在不进行核武器试验的情况下计算和维持其战备库存。 与此同时，欧洲计划在 2024 年底部署其首台百亿亿次超级计算机“Jupiter”。 对更强计算能力的渴望并没有随着百亿亿次超算的出现而停止。梅塞尔说，橡树岭已经在考虑下一代计算机，它们的计算能力将是 Frontier 的三到五倍。 但一个主要挑战亟待解决，那就是巨大的能源足迹。 Frontier 所使用的电力，即使是在空闲的时候，也足以供成千上万的家庭使用。 梅塞尔说：“简单粗暴地让机器越来越大，可能是不可持续的。” 随着橡树岭建造越来越大的超级计算机，工程师们一直在努力提高机器的效率，包括使用一种新的冷却方法。 Summit 是 Frontier 的前身，目前仍在橡树岭运行，其总能耗的 10% 用于冷却。相比之下，Frontier 的能耗仅 3% 到 4% 用于冷却。 这种改进来自于使用室温下的水来冷却超级计算机，而不是温度较低的冷水。 下一代超级计算机将能够同时模拟更多的尺度。例如，在 Frontier 中，施耐德的星系模拟分辨率可以达到几十光年。 这仍然不足以达到单个超新星的规模，因此研究人员必须分别模拟单个爆炸。 未来的超级计算机或许能够统一所有这些尺度。通过更真实地模拟自然和技术的复杂性，这些超级计算机拓展了科学的极限。 一个更真实的星系模拟可以将宇宙的浩瀚带到科学家的指尖。飞机风扇周围空气湍流的精确模型，免去了建造昂贵得令人望而却步的风洞的需要。 更好的气候模型使科学家能够预测我们星球的命运。换句话说，它们给了我们一个新的工具来为不确定的未来做准备。 |
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