它是做什麼用的？ 邊疆，世界上最強大、最快的超級電腦在橡樹嶺國家實驗室運作？從反應器建模到氣候預測。
這個問題有更廣泛的背景。我常被問到，如果我們每個人都可以擁有一台計算機，為什麼我們還要建造如此強大的機器？當然，超級電腦是非常昂貴的機器，消耗大量能源，但我們從它們身上得到的東西更有價值。今天我將嘗試用 Frontier 超級電腦的例子來解釋它。
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為什麼我們需要超級電腦？
簡而言之，超級電腦可以處理大量資訊。我們的世界正在迅速變化，人類創建了一個巨大的資料庫，需要處理、分析、分組、保存。例如，這將幫助我們獲得新的、更便宜和更有效的藥物、更耐用的材料、預測數十年的氣候變遷等。超級電腦使我們能夠對我們將要建造的物體（例如聚變反應器）的行為進行建模。這些只是最快超級電腦應用的一些例子。是的，它們的製造和維護成本非常昂貴，但它們是值得的。
但讓我們從基礎開始。到底什麼是超級電腦？目前還沒有明確的定義。然而，目前運行的每台超級電腦的一個特徵是非常高的運算能力。網路上可以找到一個簡化的定義，根據超級電腦是指能夠實現至少1 teraflops運算效能的機器， 即 1012 每秒（兆）次浮點運算。與一般家用電腦相比，這個數量很多。
如果早期電腦的速度是用 IPS（每秒指令數）來衡量的，那麼就必須為超級電腦發明一個新的單位－FLOPS，也就是每秒的浮點運算次數。這個數字越高，計算機的功能就越強大。
當然，基於特定計算閾值的方法很快就會過時，因為作為這些機器核心的處理器的性能不斷發展和增長。隨著新處理器的每次發布，現代電腦的生產力也隨之提高。然而，建造它們非常困難且經濟成本高昂。
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哪些超級電腦速度最快？
我們有關於這個問題的最新數據。 2023 年 500 月，多年來定期發布地球上最強大電腦效能評級的 Top62.org 網站發布了最新的第 500 版 Top500 排名，其中列出了目前存在的 台最高效的超級電腦。
Frontier 系統仍然是地球上最高效的超級電腦。這台超級電腦是世界上第一個百億億次運算系統，即其速度超過了1億億次浮點運算。 Frontier 本身位於美國田納西州橡樹嶺的國家實驗室。該超級電腦目前處於領先地位，其 HPL 分數（高效能 LINPACK - 一種評估超級電腦原始效能的特殊測試）為 1193 EFlops（10 exaflop 是 萬億次，即 18 每秒浮點計算）。
比較：最強大晶片的速度 Apple M1 Ultra 的運算能力約為 21 teraflops（一兆次浮點運算）。數量龐大，這是事實。令人驚訝的是，早在2002年就有一台電腦的速度達到了更高的水平——這就是日本科技巨頭NEC公司的地球模擬器超級電腦。它的速度約為 36 terflops！
Frontier 採用 AMD EPYC 64C 2GHz 處理器，以最新的 HPE Cray EX235a 架構為基礎。它由 9408 個 AMD EPYC 處理器和 37632 個 AMD Instinct MI250x 加速器組裝而成。該系統總共擁有 8 個處理器和圖形核心。此外，Frontier 的能源效率高達 699 GFlops/瓦，並使用 HPE Slingshot 904 網路進行資料傳輸。因此，在測試期間，它能夠產生高達 52,59 exaflops 的速度。峰值性能達到創紀錄的 11 exaflops。該設備的成本估計為 1,1 億美元。
這是世界上第一台也是迄今為止唯一一台以觸發器模式工作的超級電腦。 Frontier 一年前成為領先者，但在 2023 年 2024 月的排名中不允許任何人侵犯其位置。到目前為止，到 年初，美國的超級電腦是世界上生產力最高的。
但科學家已經暗示，也許一段時間後他將不得不承認另一台美國機器的優越性：極光超級電腦。
根據最新排名，運行於美國伊利諾伊州阿貢領先計算設施的採用英特爾 Sapphire Rapids 晶片的新型 Aurora 超級電腦以 585,34 PFlops 的 HPL 性能排名第二。雖然這只是 Frontier 旗艦超級電腦性能的一半，但 Aurora 系統尚未完成，目前僅計劃的最終系統的一半可以運行。完成後，Aurora 的預測性能可能會超過 2 EFlops。英特爾創建的 Aurora 超級電腦是基於 HPE Cray EX 架構 - 英特爾百兆級運算 Blade，使用英特爾至強CPU Max系列處理器和英特爾資料中心GPU Max系列加速器。與 Frontier 中一樣，HPE Slinghot-11 網路負責資料傳輸。
第三高效的超級電腦是一種名為 Eagle 的新型雲端系統 Microsoft Azure 在美國。這是一種技術好奇心，因為 Eagle 是一款雲端超級計算機，在 Top500 排名中排名第三，是雲端系統有史以來取得的最高排名。 Microsoft Eagle擁有561,2 PFlops的HPL效能，運算核心是Intel Xeon Platinum 8480C處理器和加速器 NVIDIA H100。
這裡值得一提的是日本超級電腦Fugaku，其效能比Frontier低三倍以上，也是過去生產力最高的超級電腦之一——LUMI。儘管中國人仍在建立強大的東西，但這一切都在未來。
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為什麼我們需要這麼多的運算能力？
你可能會欽佩地球上最快機器的效率，但它們所實現的性能並不是打破記錄，而是在最短的時間內得到想要的計算結果。沒有超級電腦使用者使用該機器來編寫電子郵件或準備簡報。使用此類機器來執行我們可以在家中的設備上執行的任務將是一種可怕的浪費。畢竟，超級電腦的計算潛力允許您執行普通電腦無法執行的操作。
我們正在談論哪些任務？首先，那些能夠帶來實際利益的東西，這些不一定是能夠立即轉化為金錢的東西。值得回顧的是，Frontier超級電腦的創建僅花費了約600億美元。當然，它的使用和持續維護成本也很大。這台超級電腦佔地680平方米，消耗電力21兆瓦。
Frontier 與其他超級電腦一樣，可用於氣候建模、對人類至關重要的新藥物的研究和生產、新材料技術的研究等任務。當然，此類設備執行的任務範圍要廣泛得多，包括分析各種類型的巨大資料集：金融、醫療、衛星影像、物理現象建模等等。事實上，Frontier 是第一台百億億級超級計算機，這使得它能夠執行即使在其他超級電腦上也很難完成的任務。
一個例子是熱核反應器整個生命週期的建模。是的，這不是一個錯誤。世界上還沒有一個聚變發電廠，但 Frontier 強大的百億億次運算能力使得模擬假想的聚變反應器的行為並預測此類反應器中等離子體的行為成為可能。當然，在熱核能源商業化之前，很難想像其帶來的好處，但世界上沒有人懷疑，有助於創造和發展熱核能源、使全人類擺脫能源短缺的計算能力是值得的。投資。
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超級電腦和醫學
超級電腦的應用之一是與化學品和有機化合物的結構相關的複雜且耗能的計算。由於能夠在非常精確的層面上模擬給定化合物的行為，因此對單一物質的行為進行仔細分析是可能的，這是一種允許開發新的、更有效的藥物的工具。
早在2020年，Frontier超級電腦推出之前，橡樹嶺國家實驗室的科學家們就擁有了Summit超級計算機（這台機器是2018年效率最高的超級計算機，至今仍在使用，排名第7，效率為148,8 PFlops）用它來開發一種新型抗癌藥物。事實證明，這種新藥的治療效果比以前使用的方法好約 10%，更有效。當然，10% 並不算多，但請告訴那些因為這個「微小」差異而成功挽救生命的患者。人的生命當然是無價的，但任何具有更高功效的藥物都可以為醫療保健系統節省大量資源並降低治療成本。這就是 Frontier 可以派上用場的地方。其能力遠高於同級Summit超級電腦。
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前沿與新氣候模型
氣候建模需要對地球千年歷史模型進行分析和論證。當然，這是一項需要大量運算資源的任務。我們越準確地模擬氣候變遷並預測長期會發生什麼，我們就需要越快、越強大的超級電腦。
桑迪亞國家實驗室的馬克泰勒（Mark Taylor）是世界上第一個使用升級計算進行長期氣候預測的研究人員之一，他曾指出，「Frontier 超級電腦獨特的運算架構使我們以前無法做到的事情成為可能。”也就是說，這台機器的運算能力將過去需要幾年的運算減少到幾天。同時，它使研究人員能夠獲得氣候變遷和極端天氣條件長期影響的詳細估計。 「這是氣候建模的新黃金標準，」泰勒補充道。
有什麼好處？它們太大了。預測災難性天氣變化的能力可以挽救數萬人甚至數百萬人的生命。分析氣候暖化對全球和區域水循環可能產生的影響，使我們能夠為未來的變化提前做好準備。現代空間模型是存在的，但它們對計算的要求極高。直到最近，要求太高了。是的，它們使我們能夠從理論上預測構成我們所說的天氣或氣候的各種元素之間的複雜相互作用，例如伴隨雲形成的對流運動，但需要處理大量的信息流並進行極其複雜的計算。
Frontier 超級電腦的出現已經改變了這一點。能源百億億次地球系統模型 (E3SM) 專案透過將新的軟體方法與巨大的百億億次性能相結合，克服了這些障礙。該研究的合著者、E3SM 計畫的協調員以及名為 SCREAM 的 E3SM 大氣模式的合著者 Sarath Sripathy 解釋道：「氣候建模界長期以來一直夢想以足夠快的速度運行公里級模型以促進長達數十年的預測，現在它已成為現實。”.
換句話說，沒有 Frontier 的專案將因缺乏資料處理量而失敗。但值得注意的是，不僅基礎算力重要，模型本身的最佳化也很重要。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的氣候學家彼得考德威爾和他的團隊在過去五年裡從頭開始建立了一個新的雲模型。它將在圖形處理器 (GPU) 上高效工作，圖形處理器如今是現代超級電腦運算能力的一個非常重要的組成部分。同級別中有趣的頂級汽車也可以包含在這裡。
想像。調整程式碼以在 GPU 上運行顯著提高了效能。 SCREAM 可以在 8192 個 Frontier 節點上運行，以模擬全球雲的形成，而這通常需要在單一 1,25 小時計算會話中花費一年多的時間（準確地說是 24 年）。 Frontier 可以在幾週內完成跨越 30-40 年的長期模擬。研究人員指出，以前幾乎不可能進行這樣的計算。有興趣了解更多有關這些研究的人可以 熟悉新的科學出版物 馬克·泰勒和他的團隊。
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前沿與材料技術
一個利用 Frontier 超級電腦的百億億次潛力的有趣項目是材料技術領域的工作。這是有史以來最大的合金計算模擬之一，由於其計算效率，其精度幾乎達到了量子水平。這項研究由密西根大學的 Vikram Gavini 進行，其創新之處在於它使用薛丁格方程式來模擬不同材料的行為。 Frontier 強大的運算能力使其能夠模擬由 75 個原子組成的鎂合金系統。
鎂合金是一種非常有趣的材質。它非常輕，同時又很堅固。然而，鎂合金對某些缺陷敏感，主要是位錯（即材料晶體結構中的大量缺陷），這會大大改變其機械性能。這使得一種有前途的材料變成了一塊無法使用的金屬，因為它容易破裂、易碎且不穩定。科學家在 Frontier 運算能力的幫助下成功修正了鎂合金中的一些缺陷。但這只是艱苦工作的開始。
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超級電腦的未來？
傳統計算機無法解決一些科學技術問題帶給我們的挑戰。超級電腦具有更強的運算能力，使其能夠執行普通電腦不可能或花費太多時間的計算。透過創建超級計算機，科學家們努力擴展我們的知識和能力的邊界，並解決可能對我們的未來產生巨大實際影響的問題。
摩爾定律指出，計算機的能力呈指數級增長。每兩年，計算速度就會翻一番，工程師和科學家設法找到以前認為不可能的問題的解決方案。
有一天，超級電腦將變得司空見慣。畢竟，僅僅十年前，虛擬實境、雲端遊戲、元宇宙等概念只存在於少數技術專家和極客的想像中，而今天這已成為我們的現實。未來的一代甚至不需要接受資訊科技教育並在谷歌找到一份工作就可以利用超級電腦：它們將悄悄地、不知不覺地成為日常生活的一部分，就像智慧型手機、筆記型電腦和其他東西一樣。
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