⑴ 什么是“超级电脑”
什么是超级电脑呢？按照美国传统词典的解释，它是一种主机
电脑，是在一定时期内可以得到的一种最大的、运行速度最快 的、功能最强的电脑。超级电脑可以进行高速度和大存储量的 计算。
*超速运算*
超级电脑的速度有多快呢？德国曼海姆大学、美国的田纳西大 学和美国能源部的劳伦斯-伯克利实验室的专家指出，目前全 球速度名列前茅的五百部超级电脑中，速度最慢的，每秒钟能 运算将近两千亿次。而在速度最快的一批电脑中，有47台每秒 钟运算次数超过了一万亿次。其中的冠军是日本研制的超级电 脑，名叫“地球模拟器”，每秒能进行的浮点运算次数接近36 万亿次。 这还刚刚达到了理论速度极限的87%，也就是说，可 能还有增加的潜力。
不过运算次数接近36万亿次，是个理论上的数字。而在实际应 用中呢，往往比理论数字要低一些。“地球模拟器”中心的负 责人说，这座超级电脑在运行一套气象模型软件的时候，速度 超过每秒26万亿次。在超级电脑领域，是“强中更有强中 手”的，是“江山代有才人出，各领风骚没几年”的。最 近，IBM，也就是国际商用机器公司，获得了为美国能源部制 造两台最快速的超级电脑的合同。这两台电脑将把目前的世界 冠军远远抛在后边。这就是说，超级电脑将变得更加超 级。IBM的专家纳尔逊说：“比起现状来，这将是一大飞 跃。”
*IBM新秀*
IBM 的这两台新机器，一台叫“蓝色基因”，计算速度可以 达到每秒钟360万亿次。另一台叫ASCI 紫色，运算速度每秒钟 100万亿次。这分别是现有的最快的超级电脑的将近3倍到十 倍。而两部电脑合起来，每秒钟能联合运算四百六十万亿次。 数据处理能力相当于目前世界上五百部功能最强大的超级电脑 的总和的一倍半。
这些速度是个什么概念呢？让我们拿个人电脑来比一比。【合 众国际社】说，现在最快的个人电脑每秒钟能处理10亿条指 令，而超级电脑的浮点运算要比这复杂得多。 IBM 表示，未 来的“蓝色基因”超级电脑处理信息的速度相当于普通家用电 脑的四十万倍。IBM因特网技术和战略部的负责人纳尔逊说： “一些科学家说，这是有史以来第一次，电脑有了和人脑一样 的对信息进行粗处理的能力。”
*深蓝下棋*
超级电脑的用途是什么呢？可以从事模型处理，一些大公司用 它来开发产品和检验产品的应用。一些政府机构用它来进行大 规模试验、计算和研究。例如现有的一台IBM超级电脑叫“白 色”，它的运算速度是每秒7.2万亿次，它用于模拟核爆炸和 宇宙的形成、从事飞行器设计、药物合成等。超级电脑可以用 于观察气象、预测天气。这个工作涉及的因素很多，用超级电 脑来估算比较容易算准。而预测地震呢，所需要的计算就更复 杂了，即使是现在最快的超级电脑“地球模拟器”也做不 到。“地球模拟器”中心的负责人说，他希望，下一代 的“地球模拟器”能预测地震。
超级电脑还有个用途是监视那些从外太空飞向地球的物体，看 看它们到底是陨石、太空船、掉落的人造卫星还是UFO，也就 是，不明飞行物。夏威夷的一个高性能电脑中心有一台IBM超 级电脑就是干这个的。它能迅速的把太空望远镜拍下的模糊影 像转换为清晰的移动图像，以便美国空军看出那究竟是什么东 西。这个超级电脑每秒能运算4800亿次，比IBM超级电脑“深 蓝”要快上将近40倍。“深蓝”曾经在1997年和国际像棋大 师卡斯帕罗夫下棋，下赢了。
IBM计划建造的两台功能最强大的超级电脑将用于模拟核武器 试验以及从事其它科学研究。IM从明年开始在北加州的利弗 莫尔国家实验室安装这两台机器，估计2005 年完工。电脑实 验室科研人员不等完工就将部份的使用“ASCI 紫色”电脑。 美国能源部将用它来模拟核武器爆炸，而不用进行地下核试 爆。
*核武模拟*
利弗莫尔国家实验室核武器项目负责人、物理学家布鲁斯-古 德温说：“ASCI紫色”机是核武器物理学家十分盼望的机 器。长期以来，他们梦想进行逼真的氢弹爆炸立体模拟，新电 脑让科学家如愿以偿。这样的模拟，需要超级电脑分秒不停的 连续运算两个月。科学家们通过模拟解决核武器老化等问题， 改进并设计新武器。
另一台超级电脑“蓝色基因”可以储存相当于十亿部书的信 息，可以模拟各种物理现像，预测材料的性能、烈性炸药 的“行为”以及地球大气层和污染源之间的相互作用等等，可 以用于气象研究，例如飓风预报，以及生物学的DNA 分 析。IBM的专家纳尔逊说：“这些机器能从事气象、核武 器、DNA分子等各方面的，比过去先进得多的模型建造。”
关于IBM计划制造的这两台超级电脑之间的区别，物理学家古 德温说：“蓝色基因”有如超音速战斗机，速度快但功能比较 少，而“ASCI 紫色”象是747客机，功能更多，但是飞行速 度比较慢。
*硬件结构*
在硬件结构方面，超级电脑的机身，往往不是一个，而是一 群；所占的地方，往往不是一点，而是一片。有不少超级电 脑是庞然大物。例如[ASCI 紫色]电脑重一百九十七吨，体积 相当于两百个电冰箱的大小；里面有二百五十多公里长的光纤 和铜制的电缆，具有超强的存储功能。
微处理器，或者叫微处理芯片，相当于电脑的大脑。现在， 单个的芯片的速度远远达不到超级电脑的运算速度，那么超级 电脑的速度从何而来呢？是通过联合使用大量芯片而创造的。 有些超级电脑干脆就是由一大批个人电脑组成的电脑群。这采 用的是“蚂蚁雄兵”的战略。 IBM公司超级电脑部门的副总 裁戴维·图瑞克表示，超级电脑其实是一组组的电脑经由软件 结合起来，步调一致，能象一台电脑一样的运作。
一台个人电脑一般有一两个微处理芯片，相比之下，超级电 脑“白色”使用了8000多个处理器，协同动作。而NEC，也 就是日本电气公司研制的“地球模拟器”呢，采用了常见的平 行架构，使用了5000多个处理器。“蓝色基因”将使用十三 万个IBM 最先进的Power5 微处理器。[ASCI 紫色]电脑使用大 约一万两千六百个IBM 新型芯片，
微处理器那么多，难免有的处理器会失灵。IBM的专家纳尔逊 说，新的电脑系统将能自动绕过失灵的部件。纳尔逊说： “最大的挑战是，制造一台可以自己管理自己的电脑。我们必 须研制出可以监督每个芯 片健康状况的软件。在出现问题的 时候，可以通过备用芯片或者叫候补芯片来完成任务，而不必 关机更换芯片卡。”
*信息传送*
除了处理信息的速度问题，还有信息的传送速度问题。 也就 是说，需要有足够的信息及时传过来以便让处理器来处理，否 则处理器就会停工待料。如果超级电脑不能很快地从记忆里提 取数据，那么超速处理的能力也就没用了。田纳西大学的超级 电脑专家唐加拉说，发展‘快速提取’来支持‘高速运 作’，是IBM面临的一个挑战。唐加拉说： “这个挑战是， 要在电脑内设立一个网络，让所有的数据快速沟通，从而使处 理器工作的时候不必等待。目前，制造高性能电脑的关键障碍 在于解决数据传输的瓶颈问题。”
*光导技术*
未来的超级电脑会采用什么新技术来更上一层楼呢？IBM 的超 级电脑部门负责人纳尔逊说，光学技术，也就是利用玻璃纤维 而不是用金属导线来传递信号，能够提高处理速度。纳尔逊 说： “这实际上是下一代的超级电脑了。这意味着，使用光 学信号交换器和光学网络把超级电脑的各个部件连接到一起， 可以使整个系统的效率提高十倍，甚至一百倍。”
*造价昂贵*
名列前茅的超级电脑的造价如何呢？最近IBM 和美国能源部签 订的制造超级电脑的合同，价值两亿九千万美元。而NEC 的“地球模拟器”，造价是4亿美元。为什么美国的两台更先 进的超级电脑的造价，比日本的这一台超级电脑还要低呢？这 是因为日本的超级电脑使用的处理器是专门为超级电脑设计 的，所以比较贵。而美国的超级电脑使用的处理器是能在商业 上通用的，能大批量生产的，因此比较便宜。所以，今年4 月，当NEC从美国手中夺走超级电脑冠军称号之后，有的美国 学者不甘示弱，强调在评比超级电脑的时候不能只看运算速 度，更要看工作效率和性能价格比。
*IBM领先*
今日之世界，哪个国家使用和制造超级电脑最多呢？是美国。 根据德国曼海姆大学、美国的田纳西大学和联邦能源部的专家 在十一月中旬公布的关于全球头五百部超级电脑的联合报告， 这些电脑有46% 置在美国，有91%美国制造的。如果单论技术 性能，NEC的“地球模拟器”暂时技压群雄。而若论商业市 场，则是IBM遥遥领先。今年8月，信息产业的评级机构IDC 发表了“全球高性能运算市场营收报告”。报告显示，在全球 使用超级电脑的公司机构中，IBM产品占的份额最多，名列第 二的是新惠普公司。此外，NEC、美国的升阳公司和克雷公司 也这一领域竞争。
*国家资助*
为什么美国在超级电脑领域领先呢？除了美国科技发达，人才 济济和财力雄厚的因素之外，几十年来美国的核武器研究也带 动了超级电脑工业的发展。最先进超级电脑的第一台经常被国 家武器实验室购买。冷战期间在内华达州进行的核试验取消 后，核武器研究人员对电脑功能的需求更迫切了。美国的超级 电脑有许多安装在国家实验室。世界上功能排名第二和第三的 [惠普公司]的ASCI Q 电脑都在阿拉莫国家实验室，排名第四 的“ ASCI 白色”超级电脑在利弗莫尔国家实验室。
*排行效应*
和个人电脑相比，超级电脑的市场非常小。那么，为什么象 IBM 这样的公司这么卖力气来研制超级电脑呢？伯克利国家能 源实验室计算中心负责人霍斯特说：登上五百大超级电脑的排 行榜首，就象获得奥林匹克金牌；不少公司用这份名单来影响 他们的顾客。田纳西大学的唐加拉说： “这些公司是在用这 样的研究工作来帮助他们的技术发展。”唐加拉说： “这也 是改良产品的途径。这些尖端技术会渗透到我们的日常用品 中。”
BM 期待把用于两台超级电脑的Power5 芯片，从明年起用于商 业用的电脑服务器，随后用于台式电脑，还可能用于电子游戏 机。IBM 希望芯片的商业应用换来利润回报。
⑵ 请问什么是巨型计算机
巨型计算机是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。
巨型计算机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。
对巨型计算机的指标一些家这样规定：首先，计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位以上。如我国研制成功的"银河"计算机，就属于巨型计算机。巨型计算机的发展是电子计算机的一个重要发展方向。它的研制水平标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度，体现着国家经济发展的实力。一些发达国家正在投入大量资金和人力、物力，研制运算速度达几百亿次的超级大型计算机。
在一定时期内速度最快、性能最高、体积最大、耗资最多的计算机系统。巨型计算机是一个相对的概念，一个时期内的巨型机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的巨型机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的巨型计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。
据统计,计算机的性能与使用价值的平方成正比,即所谓平方律。按照这一统计规律，计算机性能越高，相对价格越便宜。因此，随着大型科学工程对计算机性能要求的日益提高，超高性能的巨型计算机将获得越来越大的经济效益。
一、巨型计算机的发展概况
50年代中期的巨型机有 UNIVAC公司的LARC机和 IBM公司的 STretch机。这两台计算机分别采用了指令先行控制、多个运算单元、存储交叉访问、多道程序和分时系统等并行处理技术。60年代的巨型机有CDC6600机和7600机，它们都配置有多台外围处理机,主机的中央处理器含有多个独立并行的处理单元。70年代出现了现代巨型计算机，其指令执行速度每秒已达5000万次以上，或每秒可获得2000万个以上的浮点结果。
现代巨型机经历了三个发展阶段。第一阶段有美国ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型机。ILLIAC－Ⅳ机是一台采用64个处理单元在统一控制下进行处理的阵列机，后两台都是采用向量流水处理的 向量计算机 。1976年研制成功的CRAY-1机标志着现代巨型机进入第二阶段。这台计算机设有向量、标量、地址等通用寄存器,有12个运算流水部件,指令控制和数据存取也都流水线化；机器主频达80兆赫，每秒可获得8000万个浮点结果； 主存储器 容量为100～400万字(每字64位)，外存储器容量达10 9 ～10 11 字；主机柜呈圆柱形，功耗达数百千瓦；采用氟里昂冷却。图中为这种机器的逻辑结构。中国的“银河“亿次级巨型计算机（1983年）也是多通用寄存器、全流水线化的巨型机。运算流水部件有18个，采用双向量阵列结构，主存储器容量为200～400万字(每字64位)，并配有磁盘海量存储器。这些巨型机的系统结构都属于单指令流多数据流(SIMD)结构。80年代以来，采用多处理机（多指令流多数据流MIMD）结构、多向量阵列结构等技术的第三阶段的更高性能巨型机相继问世。例如，美国的CRAY-XMP、CDCCYBER205,日本的S810/10和20、VP/100和200、S×1和S×2等巨型机，均采用超高速门阵列芯片烧结到多层陶瓷片上的微组装工艺，主频高达50～160兆赫以上，最高速度有的可达每秒5～10亿个浮点结果,主存储器容量为400～3200万字（每字64位），外存储器容量达10 12 字以上。
还有一类专用性很强的巨型机。例如，美国哥德伊尔宇航公司的巨型并行处理机MPP，由16384个处理器组成128×128的方阵，专用于卫星图像信息的高速处理,8位整数加的处理速度可达每秒60亿次，32位浮点加可达每秒1.6亿次。英国ICL公司研制的分布式阵列处理机专用系统DAP，由 4096个一位 微处理器 和一台大型系列机2900组成，最高速度可达每秒1亿个64位的浮点结果。
二、巨型计算机的组成
巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存贮器构成。由于巨型机加工数据的吞吐量很大，只有主存是不够的，一般有半导体快速扩充存贮器和海量（磁盘）存贮子系统来支持。对大规模数据处理系统的用户，常需大型联机磁带子系统或光盘子系统作为大量信息数据进／出的媒介 。巨型机主机一般不直接管理慢速的输入／输出（I／O）设备，而是通过I／O接口通道联结前端机，由前端机做I／O的工作，包括用户程序和数据的准备、运算结果的打印与绘图输出等。前端机一般用小型机。I／O的另一种途径是通过网络，网上的用户借助其端机（微机、工作站、小型大型机）通过网来使用巨型机，I／O均由用户端机来做。网络方式可大大提高巨型机的利用率。
三、巨型机技术
并行处理是巨型机技术的基础。为提高系统性能，现代巨型机都在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并行处理的技术。
数据类型为便于高速并行处理， 中央处理器 的数据类型除传统的各类标量外，都增加了向量或数组类型。向量或数组运算的实质，是相继或同时执行一批同样的运算，而标量运算只处理一个或一对操作数，故向量运算速度一般比标量运算速度快得多。
硬件结构现代巨型机硬件大多采用流水线、多功能部件、阵列结构或多处理机等各种技术。流水线是把整个部件分成若干段，使众多数据能重叠地在各段操作，特别适于向量运算，性能-价格比高,应用普遍。多功能部件可以同时进行不同的运算，每个部件内部又常采用流水线技术，既适合向量运算又适合标量运算。中国的“银河”机和日本的 VP/200、S810/20机进一步将每个向量流水部件或向量处理机加倍，组成双向量阵列，又把向量运算速度提高了两倍。美国CYBER－205机的向量处理机可按用户需要组成一、二或四条阵列式的流水线，技术上又有所发展。多处理机系统以多台处理机并行工作来提高系统的处理能力，各台处理机可以协作完成一个作业，也可以独立完成各自的作业。每台处理机内部也可采用各种适宜的并行处理技术。在任务的划分与分配、多处理机之间的同步与通信和 互连网络 的效益等方面，多处理机系统尚存在不少问题有待解决。现代巨型机采用的主要还是双处理机系统（如CRAY-XMP）和四处理机系统（如HEP）。
向量寄存器为降低存储流量和频带宽度的要求，并解决短向量运算速度低的问题，第二阶段的巨型机采取了向量寄存器技术。CRAY-1机设有8个向量寄存器,所有向量运算指令都面向向量寄存器和其他通用寄存器。为更有力地支持各运算流水部件高度并行地进行各自的向量运算，日本的VP/100和S810等第三阶段的巨型机设有庞大的向量寄存器，总容量达64K字节。
标量运算标量运算速度对巨型机系统综合速度的影响极大。为此,除增设标量寄存器、标量后援寄存器或标量 高速缓冲存储器 以及采用先进的标量控制技术（如先行控制等）外，还可采用专作标量运算的功能部件和标量处理机等技术。例如,CRAY-1机的多功能部件中,有6个专作标量和地址运算，3个兼作标量浮点运算，标量运算速度可达每秒2000万次以上；CYBER205机专设标量处理机，含5个运算部件,标量运算速度可达每秒5000万次以上。在提高向量运算速度的同时，进一步提高标量运算速度，尽可能缩小两者的差距，已成为改善巨型机系统性能的重要研究课题。
主存储器为使复杂系统的三维处理成为可能，要求主存储器能容纳庞大的数据量。80年代的巨型机容量已达256兆字节。为与运算部件的速度相匹配,主存储器必须大大提高信息流量。为此，主要的措施是：①采取较成熟的多模块交叉访问技术,模块数量一般取2n,有的巨型机采用素数模新技术，以尽量避免向量访问的冲突；②不断减小每个模块的存取周期，如CRAY-XMP机的存取周期为38纳秒，S810机虽用静态MOS存储器,也只有40纳秒，与双极存储相当；③增加主存储器的访问端口，如CRAY-XMP机的每台处理机与CRAY-1机相比，访问端口由一个增加到四个，解决了存储访问的瓶颈问题。
输入输出通道巨型机不但配有数量较多的输入输出通道，如16～32个，而且具有较高的通道传输率。如CRAY-XMP机除一般通道外,还有两个传输率为每秒100兆字节的通道和一个传输率高达每秒1250兆字节的通道。
固态海量存储器为适应特大算题的大量数据在主存储器和外存储器之间的频繁调度，新型的巨型机采用固态海量存储器作为超高速外存储器。CRAY-XMP机的固态存储器采用MOS技术，容量为64～256兆字节，传输率比磁盘快50～100倍。S810机的固态存储器容量为256～1024兆字节，传输率达每秒1000兆字节。
大规模集成电路巨型机的 逻辑电路 都采用超高速ECL电路，门级延迟约为0.25～0.5纳秒，芯片门数为几十至一千以上；1984年日本已研制成功4K门阵列常温砷化镓芯片，级延迟约为50皮秒；用于向量寄存器的超高速双极随机存取存储器的访问时间为3.5～5.5纳秒。
组装工艺缩短机内走线长度和提高机器主频，是提高巨型机速度的基础。现代巨型机主频有的已达 250兆赫以上。为此，除提高芯片的集成度和速度外，还采用微组装等高密度多层组装工艺。由此而来的散热问题很突出，需要采取特殊的冷却措施。
并行算法和软件技术为充分发挥巨型机的系统性能，必须研究各种并行算法并研制并行化的软件系统。针对特大型科学计算的特点，巨型机通常配置如下软件：具有多重处理能力的批处理分布式 操作系统 、高效的汇编语言、向量FORTRAN或PASCAL、ADA语言和向量识别器、并行化标准子程序库、科学子程序库和应用程序库、系统 实用程序 、诊断程序等。
⑶ 中国的超级计算机叫什么名
“天河一号”由国防科学技术大学研制，部署在国家超级计算天津中心，其实测运算速度可以达到每秒2570万亿次。