⑴ 什麼是「超級電腦」
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*
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，每秒鍾能 運算將近兩千億次。而在速度最快的一批電腦中，有47台每秒 鍾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體的時候，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制 造兩台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 的這兩台新機器，一台叫「藍色基因」，計算速度可以 達到每秒鍾360萬億次。另一台叫ASCI 紫色，運算速度每秒鍾 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，每秒鍾能聯合運算四百六十萬億次。 數據處理能力相當於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鍾能處理10億條指 令，而超級電腦的浮點運算要比這復雜得多。 IBM 表示，未 來的「藍色基因」超級電腦處理信息的速度相當於普通家用電 腦的四十萬倍。IBM網際網路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。例如現有的一台IBM超級電腦叫「白 色」，它的運算速度是每秒7.2萬億次，它用於模擬核爆炸和 宇宙的形成、從事飛行器設計、葯物合成等。超級電腦可以用 於觀察氣象、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準。而預測地震呢，所需要的計算就更復 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台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計劃建造的兩台功能最強大的超級電腦將用於模擬核武器 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台機器，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。
另一台超級電腦「藍色基因」可以儲存相當於十億部書的信 息，可以模擬各種物理現像，預測材料的性能、烈性炸葯 的「行為」以及地球大氣層和污染源之間的相互作用等等，可 以用於氣象研究，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計劃製造的這兩台超級電腦之間的區別，物理學家古 德溫說：「藍色基因」有如超音速戰斗機，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。
*硬體結構*
在硬體結構方面，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 相當於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，或者叫微處理晶元，相當於電腦的大腦。現在， 單個的晶元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晶元而創造的。 有些超級電腦乾脆就是由一大批個人電腦組成的電腦群。這采 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體 結合起來，步調一致，能象一台電腦一樣的運作。
一台個人電腦一般有一兩個微處理晶元，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 新型晶元，
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，製造一台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 片健康狀況的軟體。在出現問題的 時候，可以通過備用晶元或者叫候補晶元來完成任務，而不必 關機更換晶元卡。」
*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里提 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路，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路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。為什麼美國的兩台更先 進的超級電腦的造價，比日本的這一台超級電腦還要低呢？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 在十一月中旬公布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產品占的份額最多，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台經常被國 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 這樣的公司這么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。」
BM 期待把用於兩台超級電腦的Power5 晶元，從明年起用於商 業用的電腦伺服器，隨後用於台式電腦，還可能用於電子游戲 機。IBM 希望晶元的商業應用換來利潤回報。
⑵ 請問什麼是巨型計算機
巨型計算機是一種超大型電子計算機。具有很強的計算和處理數據的能力，主要特點表現為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設備及豐富的、高功能的軟體系統。
巨型計算機實際上是一個巨大的計算機系統，主要用來承擔重大的科學研究、國防尖端技術和國民經濟領域的大型計算課題及數據處理任務。如大范圍天氣預報，整理衛星照片，原子核物的探索，研究洲際導彈、宇宙飛船等，制定國民經濟的發展計劃，項目繁多，時間性強，要綜合考慮各種各樣的因素，依靠巨型計算機能較順利地完成。
對巨型計算機的指標一些家這樣規定：首先，計算機的運算速度平均每秒1000萬次以上；其次，存貯容量在1000萬位以上。如我國研製成功的"銀河"計算機，就屬於巨型計算機。巨型計算機的發展是電子計算機的一個重要發展方向。它的研製水平標志著一個國家的科學技術和工業發展的程度，體現著國家經濟發展的實力。一些發達國家正在投入大量資金和人力、物力，研製運算速度達幾百億次的超級大型計算機。
在一定時期內速度最快、性能最高、體積最大、耗資最多的計算機系統。巨型計算機是一個相對的概念，一個時期內的巨型機到下一時期可能成為一般的計算機；一個時期內的巨型機技術到下一時期可能成為一般的計算機技術。現代的巨型計算機用於核物理研究、核武器設計、航天航空飛行器設計、國民經濟的預測和決策、能源開發、中長期天氣預報、衛星圖像處理、情報分析和各種科學研究方面，是強有力的模擬和計算工具，對國民經濟和國防建設具有特別重要的價值。
據統計,計算機的性能與使用價值的平方成正比,即所謂平方律。按照這一統計規律，計算機性能越高，相對價格越便宜。因此，隨著大型科學工程對計算機性能要求的日益提高，超高性能的巨型計算機將獲得越來越大的經濟效益。
一、巨型計算機的發展概況
50年代中期的巨型機有 UNIVAC公司的LARC機和 IBM公司的 STretch機。這兩台計算機分別採用了指令先行控制、多個運算單元、存儲交叉訪問、多道程序和分時系統等並行處理技術。60年代的巨型機有CDC6600機和7600機，它們都配置有多台外圍處理機,主機的中央處理器含有多個獨立並行的處理單元。70年代出現了現代巨型計算機，其指令執行速度每秒已達5000萬次以上，或每秒可獲得2000萬個以上的浮點結果。
現代巨型機經歷了三個發展階段。第一階段有美國ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型機。ILLIAC－Ⅳ機是一台採用64個處理單元在統一控制下進行處理的陣列機，後兩台都是採用向量流水處理的 向量計算機 。1976年研製成功的CRAY-1機標志著現代巨型機進入第二階段。這台計算機設有向量、標量、地址等通用寄存器,有12個運算流水部件,指令控制和數據存取也都流水線化；機器主頻達80兆赫，每秒可獲得8000萬個浮點結果； 主存儲器 容量為100～400萬字(每字64位)，外存儲器容量達10 9 ～10 11 字；主機櫃呈圓柱形，功耗達數百千瓦；採用氟里昂冷卻。圖中為這種機器的邏輯結構。中國的「銀河「億次級巨型計算機（1983年）也是多通用寄存器、全流水線化的巨型機。運算流水部件有18個，採用雙向量陣列結構，主存儲器容量為200～400萬字(每字64位)，並配有磁碟海量存儲器。這些巨型機的系統結構都屬於單指令流多數據流(SIMD)結構。80年代以來，採用多處理機（多指令流多數據流MIMD）結構、多向量陣列結構等技術的第三階段的更高性能巨型機相繼問世。例如，美國的CRAY-XMP、CDCCYBER205,日本的S810/10和20、VP/100和200、S×1和S×2等巨型機，均採用超高速門陣列晶元燒結到多層陶瓷片上的微組裝工藝，主頻高達50～160兆赫以上，最高速度有的可達每秒5～10億個浮點結果,主存儲器容量為400～3200萬字（每字64位），外存儲器容量達10 12 字以上。
還有一類專用性很強的巨型機。例如，美國哥德伊爾宇航公司的巨型並行處理機MPP，由16384個處理器組成128×128的方陣，專用於衛星圖像信息的高速處理,8位整數加的處理速度可達每秒60億次，32位浮點加可達每秒1.6億次。英國ICL公司研製的分布式陣列處理機專用系統DAP，由 4096個一位 微處理器 和一台大型系列機2900組成，最高速度可達每秒1億個64位的浮點結果。
二、巨型計算機的組成
巨型機主機由高速運算部件和大容量快速主存貯器構成。由於巨型機加工數據的吞吐量很大，只有主存是不夠的，一般有半導體快速擴充存貯器和海量（磁碟）存貯子系統來支持。對大規模數據處理系統的用戶，常需大型聯機磁帶子系統或光碟子系統作為大量信息數據進／出的媒介 。巨型機主機一般不直接管理慢速的輸入／輸出（I／O）設備，而是通過I／O介面通道聯結前端機，由前端機做I／O的工作，包括用戶程序和數據的准備、運算結果的列印與繪圖輸出等。前端機一般用小型機。I／O的另一種途徑是通過網路，網上的用戶藉助其端機（微機、工作站、小型大型機）通過網來使用巨型機，I／O均由用戶端機來做。網路方式可大大提高巨型機的利用率。
三、巨型機技術
並行處理是巨型機技術的基礎。為提高系統性能，現代巨型機都在系統結構、硬體、軟體、工藝和電路等方面採取各種支持並行處理的技術。
數據類型為便於高速並行處理， 中央處理器 的數據類型除傳統的各類標量外，都增加了向量或數組類型。向量或數組運算的實質，是相繼或同時執行一批同樣的運算，而標量運算只處理一個或一對操作數，故向量運算速度一般比標量運算速度快得多。
硬體結構現代巨型機硬體大多採用流水線、多功能部件、陣列結構或多處理機等各種技術。流水線是把整個部件分成若干段，使眾多數據能重疊地在各段操作，特別適於向量運算，性能-價格比高,應用普遍。多功能部件可以同時進行不同的運算，每個部件內部又常採用流水線技術，既適合向量運算又適合標量運算。中國的「銀河」機和日本的 VP/200、S810/20機進一步將每個向量流水部件或向量處理機加倍，組成雙向量陣列，又把向量運算速度提高了兩倍。美國CYBER－205機的向量處理機可按用戶需要組成一、二或四條陣列式的流水線，技術上又有所發展。多處理機系統以多台處理機並行工作來提高系統的處理能力，各台處理機可以協作完成一個作業，也可以獨立完成各自的作業。每台處理機內部也可採用各種適宜的並行處理技術。在任務的劃分與分配、多處理機之間的同步與通信和 互連網路 的效益等方面，多處理機系統尚存在不少問題有待解決。現代巨型機採用的主要還是雙處理機系統（如CRAY-XMP）和四處理機系統（如HEP）。
向量寄存器為降低存儲流量和頻帶寬度的要求，並解決短向量運算速度低的問題，第二階段的巨型機採取了向量寄存器技術。CRAY-1機設有8個向量寄存器,所有向量運算指令都面向向量寄存器和其他通用寄存器。為更有力地支持各運算流水部件高度並行地進行各自的向量運算，日本的VP/100和S810等第三階段的巨型機設有龐大的向量寄存器，總容量達64K位元組。
標量運算標量運算速度對巨型機系統綜合速度的影響極大。為此,除增設標量寄存器、標量後援寄存器或標量 高速緩沖存儲器 以及採用先進的標量控制技術（如先行控制等）外，還可採用專作標量運算的功能部件和標量處理機等技術。例如,CRAY-1機的多功能部件中,有6個專作標量和地址運算，3個兼作標量浮點運算，標量運算速度可達每秒2000萬次以上；CYBER205機專設標量處理機，含5個運算部件,標量運算速度可達每秒5000萬次以上。在提高向量運算速度的同時，進一步提高標量運算速度，盡可能縮小兩者的差距，已成為改善巨型機系統性能的重要研究課題。
主存儲器為使復雜系統的三維處理成為可能，要求主存儲器能容納龐大的數據量。80年代的巨型機容量已達256兆位元組。為與運算部件的速度相匹配,主存儲器必須大大提高信息流量。為此，主要的措施是：①採取較成熟的多模塊交叉訪問技術,模塊數量一般取2n,有的巨型機採用素數模新技術，以盡量避免向量訪問的沖突；②不斷減小每個模塊的存取周期，如CRAY-XMP機的存取周期為38納秒，S810機雖用靜態MOS存儲器,也只有40納秒，與雙極存儲相當；③增加主存儲器的訪問埠，如CRAY-XMP機的每台處理機與CRAY-1機相比，訪問埠由一個增加到四個，解決了存儲訪問的瓶頸問題。
輸入輸出通道巨型機不但配有數量較多的輸入輸出通道，如16～32個，而且具有較高的通道傳輸率。如CRAY-XMP機除一般通道外,還有兩個傳輸率為每秒100兆位元組的通道和一個傳輸率高達每秒1250兆位元組的通道。
固態海量存儲器為適應特大算題的大量數據在主存儲器和外存儲器之間的頻繁調度，新型的巨型機採用固態海量存儲器作為超高速外存儲器。CRAY-XMP機的固態存儲器採用MOS技術，容量為64～256兆位元組，傳輸率比磁碟快50～100倍。S810機的固態存儲器容量為256～1024兆位元組，傳輸率達每秒1000兆位元組。
大規模集成電路巨型機的 邏輯電路 都採用超高速ECL電路，門級延遲約為0.25～0.5納秒，晶元門數為幾十至一千以上；1984年日本已研製成功4K門陣列常溫砷化鎵晶元，級延遲約為50皮秒；用於向量寄存器的超高速雙極隨機存取存儲器的訪問時間為3.5～5.5納秒。
組裝工藝縮短機內走線長度和提高機器主頻，是提高巨型機速度的基礎。現代巨型機主頻有的已達 250兆赫以上。為此，除提高晶元的集成度和速度外，還採用微組裝等高密度多層組裝工藝。由此而來的散熱問題很突出，需要採取特殊的冷卻措施。
並行演算法和軟體技術為充分發揮巨型機的系統性能，必須研究各種並行演算法並研製並行化的軟體系統。針對特大型科學計算的特點，巨型機通常配置如下軟體：具有多重處理能力的批處理分布式 操作系統 、高效的匯編語言、向量FORTRAN或PASCAL、ADA語言和向量識別器、並行化標准子程序庫、科學子程序庫和應用程序庫、系統 實用程序 、診斷程序等。
⑶ 中國的超級計算機叫什麼名
「天河一號」由國防科學技術大學研製，部署在國家超級計算天津中心，其實測運算速度可以達到每秒2570萬億次。