美國重回超算排行榜第一位，中國的五年冠軍終結(jié)。此文為你解答常見問題：中國超算用的都是外國芯片，所以不值一提嗎？超算是按照什么排名的？超算有什么用？超算和量子計(jì)算機(jī)是什么關(guān)系？……中國正在發(fā)展下一代超算，可能在不久之后又會(huì)重回第一，拭目以待！

　　2018 年 6 月 8 日，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室宣布，造出了目前世界上最快的超級計(jì)算機(jī)，叫做“Summit”（頂點(diǎn)）。

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超級計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”由一排排電冰箱大小的黑色模塊單元構(gòu)成，總重 340 噸。圖片來源：紐約時(shí)報(bào)

　　在學(xué)術(shù)界，有一個(gè)著名的超算 500 強(qiáng)排行榜，叫做 TOP500，自從 1993 年 6 月創(chuàng)辦以來，每半年發(fā)布一次。2018 年 6 月 25 日，TOP500 榜單更新了，Summit 如愿登頂。這件事引起了很多人的關(guān)注，因?yàn)檫@是 5 年以來，美國第一次重新奪回 TOP500 的第一名。從哪個(gè)國家的手里奪回的呢？你猜對了，就是中國！

　　下面，我們先來介紹一下現(xiàn)在的 TOP500 榜單，然后解答若干個(gè)關(guān)于超算的常見問題。我知道，你最關(guān)心的問題是“這事對中國有什么影響”，請稍安勿躁，等到你了解了原理之后，答案自然就水到渠成了。

　　第一個(gè)也是最基本的問題是，TOP500 是按照什么來給超算排名的？用日常語言來說，當(dāng)然就是計(jì)算速度。用專業(yè)語言來說，是每秒能夠執(zhí)行多少次浮點(diǎn)運(yùn)算。

　　但是當(dāng)你去看 TOP500 的榜單時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，對于每臺超算都列出了兩個(gè)計(jì)算速度，一個(gè)叫做 Rmax，一個(gè)叫做 Rpeak。例如對于目前排第一的 Summit，Rmax 是每秒 12.23 億億次，Rpeak 是每秒 18.77 億億次。那么這兩個(gè)符號是什么意思呢？我們到底應(yīng)該關(guān)注哪個(gè)？我們知道，max 是最大的意思，peak 是頂峰的意思，那么最大值和峰值哪個(gè)大？這可真成了一個(gè)哲學(xué)問題了！

▲2018 年 6 月 TOP500 榜單

　　真正的回答是，Rmax 是實(shí)測的最高速度，Rpeak 是理論上的最高速度?？倳?huì)有些實(shí)際原因使超算的性能達(dá)不到理論上限，所以 Rmax 總是小于 Rpeak，就像剛才這兩個(gè)數(shù)值，12.23 億億小于 18.77 億億。因此，TOP500 排名用的是實(shí)測的最高速度，Rmax。媒體為了突出超算的神速，往往喜歡報(bào)道理論最高速度 Rpeak，但其實(shí)這有一定的誤導(dǎo)成分。大家以后看到關(guān)于超算的新聞時(shí)，請一定看清楚了，他說的到底是哪個(gè)速度。

　　好，我們來看 TOP500 目前排第二的超算。這是中國的“神威太湖之光”，它的 Rmax 是 9.3 億億次每秒，相當(dāng)于 Summit 的 76%。神威太湖之光是一臺了不起的超算，曾經(jīng)在從 2016 年 6 月到 2017 年 11 月的四期 TOP500 榜單中排在首位，四連冠。Summit 這次登頂，就是超過了神威太湖之光。

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▲神威太湖之光

　　第三名是美國的“Sierra”（山脊）。這是一臺新的超算，初次上榜就打到了第三。它的 Rmax 是 7.16 億億次每秒，相當(dāng)于 Summit 的 58.5%，神威太湖之光的 77%。

　　第四名是中國的“天河二號”，它的 Rmax 是 6.14 億億次每秒。天河二號也是一臺了不起的超算，曾經(jīng)在 2013 年 6 月至 2015 年 10 月的六期榜單中六連冠，直到 2016 年 6 月讓位給神威太湖之光，然后一直保持亞軍，直到這次再下降兩位到第四。

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▲天河二號

　　第五名是日本的“人工智能橋接云基礎(chǔ)設(shè)施”，這是一個(gè)超長的名字，英文叫做 AI Bridging Cloud Infrastructure，簡稱 ABCI，我們還是叫這個(gè)簡稱方便。ABCI 也是一臺新的超算，它的 Rmax 是 1.99 億億次每秒。請注意，這個(gè)數(shù)值跟天河二號的 6.14 億億次每秒就有巨大的差距了，天河二號相當(dāng)于 ABCI 的 3.09 倍。而從第一位的 Summit 到第四位的天河二號，Rmax 的變化只不過是 2 倍而已。因此，可以認(rèn)為 TOP500 的前四名組成一個(gè)第一集團(tuán)，而從第五名以下的若干臺超算組成第二集團(tuán)。

　　從第六位到第十位，分別是瑞士的“Piz Diant”（代恩特峰），美國的“Titan”（泰坦），美國的“Sequoia”（紅杉），美國的“Trinity”（三一），和美國的“Cori”。它們的性能變化就比較平緩了，第十位的 Cori 也有 1.4 億億次每秒，相當(dāng)于第五位 ABCI 的 70%。

　　從第 11 位往下看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)美國、中國、日本、瑞士這四國之外的其他國家也紛紛出現(xiàn)了。例如韓國，第 11 位；意大利，第 13 位；法國，第 14 位；英國，第 20 位；西班牙，第 22 位；德國，第 23 位；沙特阿拉伯，第 29 位；印度，第 39 位；加拿大，第 53 位；俄羅斯，第 72 位；瑞典，第 92 位。好吧，前 100 名中只出現(xiàn)了這些國家?；旧?，世界科研的主力國家也都在其中了。當(dāng)然，你可以認(rèn)為沙特阿拉伯是亂入的——有錢雖然能為所欲為，但花錢雇一群外國人來搞科研總不是長遠(yuǎn)之計(jì)??！

　　上面的統(tǒng)計(jì)，很自然地讓人想起一個(gè)問題：在 TOP500 的這 500 臺超算中，來自哪個(gè)國家的最多？

　　回答是：中國！中國占據(jù)了 TOP500 中的 206 臺超算。這高達(dá) 41.2% 的比例，用足球界的常用語來說，彰顯了統(tǒng)治性。

　　第二是誰呢？第二當(dāng)然是美國嘍，以美國的實(shí)力，沒理由連第二都排不上。美國在 TOP500 中占據(jù) 124 臺，比例是 24.8%。你如果問美國人，對這個(gè)成績感到開心嗎？回答肯定是：不開心。因?yàn)檫@是美國的最低成績，歷史新低。

　　其實(shí)自從 TOP500 開始發(fā)布的 1993 年以來，美國曾經(jīng)不止一次地失去速度最快的桂冠，但始終保持著上榜數(shù)最多的地位。因此，你可以說美國一直保持著最強(qiáng)的整體實(shí)力，或者用籃球的語言說，板凳的深度最深。但是到了 2017 年 6 月，榜單中是美國 169 臺，中國 160 臺，雙方已經(jīng)十分接近了。到了 2017 年 11 月，兩者的順序終于翻轉(zhuǎn)，中國達(dá)到了 202 臺，美國下降到 145 臺，中國第一次在上榜數(shù)目上登頂，美國第一次失去這個(gè)第一。在最新的榜單中，中國失去了速度排行的第一位，但擴(kuò)大了上榜數(shù)目的優(yōu)勢，從 202 增加到 206，而美國從 145 下降到 124。在這個(gè)意義上，現(xiàn)在是中國具有最強(qiáng)的整體實(shí)力、板凳深度。

　　我們繼續(xù)往下看。目前在 TOP500 中第三多的是日本，36 臺。第四是英國，22 臺。第五是德國，21 臺。第六是法國，18 臺?；旧希阏J(rèn)為是科技強(qiáng)國的那些國家，就是超算的強(qiáng)國，這兩個(gè)集合是高度重疊的。這也可以反映出超算的重要性，它相當(dāng)于科技界的一種基礎(chǔ)設(shè)施。

　　好，以上是關(guān)于 TOP500 的一個(gè)大致的背景。我們應(yīng)該如何看待這些新聞呢？

　　最最基本的一點(diǎn)值得向公眾科普的是，超算是非常有技術(shù)含量的。

　　在中國的超算占據(jù)首席的 5 年中，很多人對此不屑一顧。他們以為超算就是處理器堆出來的，有錢多買些處理器，計(jì)算能力就上去了。他們還以為中國的超算都是買的外國的處理器，因此計(jì)算能力再高也不值一提。我必須指出，這是雙重的誤解。

　　要澄清第一點(diǎn)誤解，一句話就夠了：神威太湖之光用的芯片是中國自己生產(chǎn)的，不是從外國買的。如果你還想了解更多細(xì)節(jié)，那么就是神威太湖之光安裝了 40960 個(gè)中國自主研發(fā)的“申威 26010”眾核處理器，該眾核處理器采用 64 位自主申威指令系統(tǒng)。芯片叫做“申威”，申請的申，所以超算叫做“神威”，神奇的神，看明白這兩者的關(guān)系了吧？

　　你也許會(huì)問：那么天河二號，用的是誰的芯片呢？回答是：天河二號以前用的是美國英特爾的 Xeon Phi 芯片，Xeon 的中文名字就是大家熟悉的“至強(qiáng)”。

　　然后，這里就有一段故事了。天河二號連續(xù)四次奪冠后，2015 年 4 月 9 日，美國商務(wù)部就拒絕了英特爾公司向中國的國家超級計(jì)算廣州中心出售至強(qiáng)芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請。中國的國家超級計(jì)算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學(xué)這四家國家超算中心，被美國列入了出口管制名單。所以你看，美國早就在大動(dòng)作限制中國超算的發(fā)展了。與此同時(shí)，美國又宣布要建造 3 臺超過天河二號3-6 倍的超級計(jì)算機(jī)，Summit 就是其中之一。這明顯就是一方面要扼殺你，一方面自己要奪回第一。

　　但是因?yàn)橹袊谧灾餮邪l(fā)芯片，所以讓美國的限制落了空。中國橫空出來一臺神威太湖之光，用的全都是自主芯片，在冠軍位置上又占據(jù)了兩年。不但是神威太湖之光，以后中國的超算用的必然也都是自主芯片，因?yàn)橹袊谥贫ǔ惆l(fā)展規(guī)劃時(shí)，就已經(jīng)這么明確規(guī)定了！

　　神威太湖之光從一開始用的就是國產(chǎn)芯片，那么天河二號怎么辦？天河二號表示：我覺得我還可以搶救一下。于是乎，2017 年底，天河二號用國產(chǎn)的 Matrix-2000 協(xié)處理器替換了用了五年的 Xeon Phi 加速器。沒錯(cuò)，這個(gè)國產(chǎn)芯片的名字叫做 Matrix-2000！

　　好吧，無論這個(gè)名字令你們產(chǎn)生什么樣的聯(lián)想，這次升級把天河二號的每秒計(jì)算次數(shù)從 3.39 億億次提升到了 6.14 億億次，而功耗只增加了不到4%。所以，作為一臺五年“高齡”的超算，天河二號還能在 TOP500 上排到第四，這是相當(dāng)不容易的，堪稱一個(gè)杰出的成就。

　　OK，以上解釋的是第一點(diǎn)誤解，這些事實(shí)性的東西很容易理解。要澄清第二點(diǎn)誤解，就稍微復(fù)雜一點(diǎn)，需要了解超算的基本原理。

　　請問，超級計(jì)算機(jī)為什么算得那么快，能夠比個(gè)人電腦快成千上萬倍？是因?yàn)槌阌昧艘粋€(gè)比個(gè)人電腦的芯片快成千上萬倍的芯片嗎？當(dāng)然不是，世界上沒有這樣的芯片。

　　實(shí)際的辦法是，超算用了很多個(gè)芯片，讓它們同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，而單個(gè)芯片的性能跟個(gè)人電腦的芯片是差不多的。用科學(xué)術(shù)語來說，這叫做“并行計(jì)算”，這是高性能計(jì)算的基本思路。用日常生活來比喻，就是“三個(gè)臭皮匠，頂個(gè)諸葛亮”！有人指出，這里的“皮匠”其實(shí)不是處理毛皮的工匠，而應(yīng)該是“裨將”，即主將身邊的副將。無論如何，超算用的遠(yuǎn)不止是三個(gè)裨將，而是三千、三萬以至更多個(gè)裨將。

　　下一個(gè)問題是，如果你用了n個(gè)芯片，你的計(jì)算速度就是單個(gè)芯片的n倍嗎？你立刻就可以發(fā)現(xiàn)，不是。實(shí)際上，你要讓多個(gè)芯片同時(shí)干事，就必須首先給它們劃分好任務(wù)，這個(gè)任務(wù)劃分是要消耗時(shí)間的。然后，當(dāng)各個(gè)芯片開始計(jì)算之后，還不時(shí)地要和其他芯片交換數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)通信也是要消耗時(shí)間的。因此，計(jì)算速度的增長，總是低于芯片數(shù)的增長。超算的速度與單個(gè)芯片速度的比值，稱為加速比?，F(xiàn)在我們明白了，加速比總是低于芯片數(shù)的。

　　當(dāng)芯片比較少的時(shí)候，加速比上升得比較快。隨著芯片數(shù)的增加，加速比上升得越來越平緩。當(dāng)芯片很多的時(shí)候，任務(wù)劃分和數(shù)據(jù)通信會(huì)變成瓶頸因素，這些負(fù)擔(dān)的增加會(huì)抵消芯片增加的好處，因此加速比會(huì)達(dá)到飽和，不再上升。由此可見，芯片并不是越多越好的，光靠堆芯片是堆不出超級計(jì)算機(jī)的。

▲典型的加速比曲線，橫軸是處理器數(shù)目，縱軸是加速比

　　如果你在大的組織當(dāng)中做過事，例如大企業(yè)、大的政府機(jī)構(gòu)以至大的非政府組織，你就會(huì)有很多親身體會(huì)，人浮于事、推諉扯皮之類的毛病，在越大的組織中越容易出現(xiàn)。所以，組織并不是越大越好的。超算也是同樣的道理！

　　現(xiàn)在你可以理解，一臺超算能夠容納下多少芯片，并不是取決于有多少錢能用來買芯片，而是取決于系統(tǒng)架構(gòu)。只有你的系統(tǒng)架構(gòu)改進(jìn)了，才能讓更多的芯片發(fā)揮作用，達(dá)到更高的計(jì)算能力。超算的芯片數(shù)增加，是一個(gè)結(jié)果，而不是原因。超算的技術(shù)含量，是表現(xiàn)在這里！不要以為只有芯片是核心技術(shù)，超算架構(gòu)同樣也是核心技術(shù)！

　　例如，天河二號取得突破，最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是中國自制的 TH Express-2 主干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，這是世界領(lǐng)先的。

　　因此，無論是哪個(gè)國家，能在 TOP500 上名列前茅，都是非常有技術(shù)含量的。現(xiàn)在你明白那些認(rèn)為中國的超算不值一提的人，是犯了多少錯(cuò)誤了吧？

　　順便說一句，有些人認(rèn)為超算沒有多少技術(shù)含量，理由是超算很容易造，例如誰誰用多少臺游戲機(jī)就堆出了一臺超算。這實(shí)際上，是犯了一個(gè)概念錯(cuò)誤。我們關(guān)注的是那些性能最高的超算，而不是泛泛而言的超算。

　　現(xiàn)在 TOP500 的最后一名，是瑞士的一臺超算，叫做“EPFL Blue Brain IV”。它的 Rmax 只有 715.6 萬億次每秒，也就是 0.07156 億億次每秒，跟第一名 Summit 的 12.23 億億次每秒相比，只相當(dāng)于 0.585%，連人家的零頭都不到?？墒沁@已經(jīng)是世界上第 500 位的超算了，好歹是在兵器譜上有排名的，稱得上有頭有臉了，那么后面那些連排名都談不上的超算，能有什么樣的技術(shù)指標(biāo)？指著這樣的超算，說超算技術(shù)含量不高，不覺得自己腦子有問題嗎？

　　好比我們來看豪華汽車，入門級的寶馬 1 系可以叫做豪華汽車，時(shí)速超過 400 公里的布加迪威航也可以叫做豪華汽車，但你會(huì)覺得這兩個(gè)是一回事嗎？

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▲布加迪威航

　　在澄清了這個(gè)最基本的誤解之后，還有一個(gè)常見的問題：超算有什么用？

　　不要笑，雖然在稍微有點(diǎn)見識的人看來這確實(shí)是個(gè)可笑的問題。許多人問這個(gè)問題，并不是因?yàn)樗麄冇凶C據(jù)認(rèn)為超算沒用，而是因?yàn)樗麄?ldquo;感覺”中國的就是沒用的。這是一種條件反射，并不是理性思考。

　　雖然如此，我們還是可以給出一個(gè)正經(jīng)的回答。超算的用途非常廣泛，因?yàn)楝F(xiàn)在有太多的領(lǐng)域可以用計(jì)算來模擬了。例如空氣動(dòng)力學(xué)，這對飛機(jī)和汽車的設(shè)計(jì)都是非?；镜?。大家知道飛機(jī)和汽車需要吹風(fēng)洞，超算模擬就相當(dāng)于吹一個(gè)數(shù)值的風(fēng)洞。又如氣象預(yù)測，你想知道颶風(fēng)的移動(dòng)軌跡嗎？超算告訴你。又如宇宙的演化，你想知道銀河系是怎么變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的，以后會(huì)變成什么樣嗎？超算告訴你。我的專業(yè)領(lǐng)域叫做理論與計(jì)算化學(xué)，這個(gè)學(xué)科的主要內(nèi)容就是用計(jì)算來預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)、材料的性質(zhì)，那么超算的用處就更是一目了然了！

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▲銀河系

　　有人也許會(huì)問：有什么必要非要算得那么快？算得慢點(diǎn)有什么不可以？

　　不要笑，雖然這聽起來也是個(gè)很可笑的問題，但我們還是可以給出一個(gè)正經(jīng)的回答。有許多問題，我們是希望能實(shí)時(shí)預(yù)測的。例如化工的過程，原料在反應(yīng)器里如何擴(kuò)散，如何反應(yīng)，這是大家十分關(guān)心的問題。假如你算得比實(shí)際的過程快，那么你就可以預(yù)先操縱。但假如你算得不如實(shí)際過程快，那么你的計(jì)算就毫無用處，你還不如老老實(shí)實(shí)跟著原料走呢，你也就無法操縱了。因此，計(jì)算快慢的區(qū)別并不一定是 80 分和 90 分的區(qū)別，而可能是 0 和 1 的區(qū)別，以至于生與死的區(qū)別。前中科院副院長李靜海院士多次強(qiáng)調(diào)過，計(jì)算能力就是一個(gè)國家的核心能力之一。

　　實(shí)際上，計(jì)算能力永遠(yuǎn)沒有足夠的時(shí)候。一旦當(dāng)前的問題得到了解決，人們立刻就會(huì)提出需要更高計(jì)算能力的下一層次的問題。例如在計(jì)算流體力學(xué)里有直接數(shù)值模擬，試圖捕捉最小尺度的漩渦，但目前只能算到幾毫米的空間。你覺得最小尺度的漩渦是多?。窟@得需要多大的計(jì)算量？又比如現(xiàn)在一種新興的發(fā)動(dòng)機(jī)叫做超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，里面的超聲速燃燒就涉及化學(xué)基元反應(yīng)、湍流、熱交換等許多復(fù)雜的過程。當(dāng)我們期望通過數(shù)值模擬去了解更為精細(xì)的過程的時(shí)候，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算能力總是不夠的。

▲超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

　　在超算業(yè)界，有一個(gè)最高級的獎(jiǎng)項(xiàng)叫做戈登·貝爾獎(jiǎng)（Gordon Bell Prize），是授予最杰出的高性能計(jì)算應(yīng)用的，每年頒發(fā)一次。理所當(dāng)然地，獲得戈登·貝爾獎(jiǎng)的應(yīng)用，一般都是在最快的超算上運(yùn)行的。2016 年和 2017 年，中國連續(xù)兩次獲得這個(gè)戈登·貝爾獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)的應(yīng)用分別叫做“千萬核可擴(kuò)展大氣動(dòng)力學(xué)全隱式模擬”和“非線性地震模擬”，它們用的都是神威太湖之光。如果你對這兩個(gè)名字感到云里霧里，那么只要我跟你說，后面那個(gè)就是對唐山大地震的高精度模擬，你就明白這個(gè)研究有多重要了吧？

▲清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授付昊桓等共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成的“非線性地震模擬”獲得 2017 年戈登·貝爾獎(jiǎng)

　　經(jīng)常有人認(rèn)為，中國的超算排第一，只是面子工程，沒有用處。還經(jīng)常有人認(rèn)為，中國的超算排第一，是因?yàn)槌愕男阅芤呀?jīng)夠用了，其他國家沒有動(dòng)力發(fā)展更快的?，F(xiàn)在你可以明白，這些觀點(diǎn)是多么愚蠢了吧！

　　當(dāng)然，中國的超算工作仍然有需要改進(jìn)的地方。超算的使用者會(huì)注意到一個(gè)問題，就是中國的超算應(yīng)用普及還有待加強(qiáng)。雖然我們上榜 TOP500 的超算數(shù)量已經(jīng)成了全世界最多的，500 臺里占了 206 臺，但中國的超算畢竟發(fā)展的時(shí)間還比較短，許多相關(guān)部門和人士還沒有及時(shí)跟上這個(gè)潮流。例如不同超算的應(yīng)用界面不一樣，就會(huì)讓許多初學(xué)者感覺很頭疼，然后就不愿意用超算了。

　　如果中國在沖擊超算性能高峰的同時(shí)，各個(gè)地區(qū)也能夠統(tǒng)籌計(jì)算資源，共享系統(tǒng)和硬件，作業(yè)全域調(diào)配，改善超算的易用性，那么應(yīng)用效果就會(huì)好得多。事實(shí)上，如果學(xué)生們能親身體會(huì)到國家的計(jì)算能力在提升，“太湖之光”、“西湖之光”、“鄱陽湖之光”等等就在身邊，那么這本身就是一種很好的宣傳。國家應(yīng)該有一攬子計(jì)劃，推動(dòng)超算的普及。研發(fā)更快的超算只是這個(gè)計(jì)劃的一個(gè)環(huán)節(jié)，后面還有許多工作要做。

　　下面一個(gè)問題，終于是一個(gè)相當(dāng)有技術(shù)含量的問題：超算和量子計(jì)算機(jī)是什么關(guān)系？推而廣之，有許多人問：美國的量子計(jì)算機(jī)是不是已經(jīng)要取代超算了？還有許多人問：超算是不是已經(jīng)無所謂了，中國應(yīng)該在量子計(jì)算機(jī)上彎道超車？

　　對此的基本回答是：超算和量子計(jì)算機(jī)完全是兩回事。當(dāng)然，它們都很重要，都很值得關(guān)注，不過有兩個(gè)基本的區(qū)別。

　　第一，超算是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，已經(jīng)用了很多年，而量子計(jì)算機(jī)還在實(shí)驗(yàn)室演示階段，離實(shí)用還很遠(yuǎn)。雖然各國都在努力發(fā)展，但量子計(jì)算機(jī)什么時(shí)候能夠達(dá)到實(shí)用的程度，還完全無法預(yù)測。

　　這第一點(diǎn)區(qū)別是很容易理解的，而第二點(diǎn)區(qū)別就不是那么容易了，需要很多背景知識。第二點(diǎn)是，許多媒體常常把量子計(jì)算機(jī)描繪成無所不能，因?yàn)樗墒裁炊继貏e快——但這是錯(cuò)誤的！

　　實(shí)際情況是，量子計(jì)算機(jī)并不是對于所有問題都特別快，而是只對于某些特定的問題比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)快。這是因?yàn)閷@些問題，可以設(shè)計(jì)出快得多的量子算法，這些算法只能在量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上不能用。而對于大多數(shù)問題，目前并沒有巧妙的量子算法可用，量子計(jì)算機(jī)也就沒有優(yōu)勢可言了。也就是說，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，是依賴于問題的，并不是干什么都靈。

　　有人可能聽說過一個(gè)詞，“通用的量子計(jì)算機(jī)”，然后以為通用的量子計(jì)算機(jī)就會(huì)比專用的量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)得多，在所有問題上都會(huì)比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)快。很遺憾，這種理解也是錯(cuò)誤的。

　　所謂通用的量子計(jì)算機(jī)，意思是它可以編程，可以在上面實(shí)現(xiàn)所有的量子算法，而專用的量子計(jì)算機(jī)只能做特定的某些事。這就好比計(jì)算尺和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的區(qū)別，在現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前三百年，我們已經(jīng)有了計(jì)算尺，它只能做四則運(yùn)算，而現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)可以做任何程序允許實(shí)現(xiàn)的事情。但是這個(gè)區(qū)別不會(huì)帶來本質(zhì)性的變化，如果一件事是做不到的，那么從專用到通用，仍然是做不到的。

　　最近，科大郭光燦院士的研究組在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表了一篇文章，提出了基于時(shí)間復(fù)用的新型量子行走方案，建成了 50 步的光學(xué)量子行走實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)首次直接測量了具有手征對稱性的量子行走中的體拓?fù)洳蛔兞?。量子行走可以?shí)現(xiàn)普適的量子計(jì)算，“普適”英文是 general，其實(shí)就是“通用”。因此，這個(gè)研究對建造通用的量子計(jì)算機(jī)是有幫助的。當(dāng)然，這種量級的成果在科大隔三差五地就有出現(xiàn)，歡迎同學(xué)們來到科大，為量子信息的發(fā)展做出貢獻(xiàn)！

　　量子計(jì)算機(jī)擅長的問題雖然還不是很多，但在其中就有一些是非常重要的。例如因數(shù)分解，也就是說把 21 分解成 3 乘以 7 這樣。因數(shù)分解的困難性，是目前最常用的密碼體系 RSA 的基礎(chǔ)，因此這是個(gè)非常重要的問題。如果量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵱昧?，那么我們就可以迅速分解長達(dá)幾千位的數(shù)字，RSA 密碼體系就會(huì)迅速被破解，這會(huì)造成重大的影響。想想看，如果你的移動(dòng)支付信息輕易就被破解了，社會(huì)會(huì)變成什么樣！

　　就關(guān)于超算的問題而言，量子計(jì)算機(jī)當(dāng)然是非常重要的，有顛覆世界的潛力，但發(fā)展量子計(jì)算機(jī)跟發(fā)展超算并沒有矛盾。我們現(xiàn)在是兩條腿走路，對超算是作為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)來發(fā)展，對量子計(jì)算機(jī)是作為一個(gè)前瞻性的研究來發(fā)展。

　　最后一個(gè)問題是，在了解了這么多之后，我們應(yīng)該如何看待美國重回 TOP500 第一，中國的五年冠軍告一段落呢？

　　基本的回答是：這是一個(gè)良性競爭。既然超算是一個(gè)這么有技術(shù)含量、又這么有用的技術(shù)，那么無論哪個(gè)國家取得進(jìn)步，對全人類來說都是好事，都是值得肯定的。大家你追我趕，共同把人類的能力邊界推向前進(jìn)，這是一個(gè)非常積極的景象。

　　事實(shí)上，美國這次奪冠，對于業(yè)內(nèi)人士來說絲毫不意外，因?yàn)檫@些研究項(xiàng)目都是公開的，幾年以前大家就都知道了。中國也正在發(fā)展下一代的超算，如果順利的話，可能在不久之后又會(huì)重回第一的位置，并且把超算速度從現(xiàn)在的每秒十億億次提高到百億億次的量級。每秒計(jì)算百億億次的超算，稱為E級超算，是現(xiàn)在全世界攻關(guān)的下一級臺階。

　　例如，在 2018 年 5 月的第二屆世界智能大會(huì)上，國家超算天津中心展示了“天河三號”原型機(jī)，它的設(shè)計(jì)性能就達(dá)到了百億億次。天河三號全部采用自主技術(shù)，處理器是自主的飛騰芯片，通信是自主的天河高速互聯(lián)通信，操作系統(tǒng)是自主的麒麟操作系統(tǒng)。天河三號原型機(jī)將會(huì)在 2018 年 6 月部署到天津超算中心，年底的時(shí)候會(huì)正式投入使用。請注意，這個(gè)是原型機(jī)，用于小規(guī)模驗(yàn)證。如果驗(yàn)證成功，整機(jī)會(huì)在一兩年后問世。

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▲天河三號原型機(jī)

　　除了天河三號之外，中國也有其他的百億億次超算項(xiàng)目，例如中科曙光的“E級超算”以及江南所/濟(jì)南超算中心的“神威E級”。千帆競渡，百舸爭流，讓我們拭目以待！