每當(dāng)新款的智能手機(jī)或者家用電腦發(fā)布時(shí)，人們討論最多的話題總是離不開中央處理器（CPU）的運(yùn)算性能以及散熱問題。可能我們并不清楚電子設(shè)備的CPU內(nèi)部具體的計(jì)算架構(gòu)，但卻可以真切地感受到CPU運(yùn)算能力的提升給我們生活、工作帶來的巨大改變。

實(shí)際上，小到我們中學(xué)時(shí)期經(jīng)常使用的科學(xué)計(jì)算器，大到現(xiàn)在日常辦公必備的筆記本電腦，這些具備數(shù)據(jù)處理能力的電子設(shè)備都可以統(tǒng)稱為電子計(jì)算機(jī)。

那么，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，有沒有更快、更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)呢？

“0”與“1”組成的奇妙世界

當(dāng)我們每次按下手機(jī)按鍵或者電腦鍵盤的時(shí)候，這些字符或者信息首先需要被轉(zhuǎn)化為電子計(jì)算機(jī)能夠處理的編碼：0或者1的排列組合。

例如，根據(jù)ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美國信息互換標(biāo)準(zhǔn)代碼）的字符編碼，英文字母K被編碼為“01001011”。而當(dāng)經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)CPU的運(yùn)算處理后，一串0或1編碼的信息又可以轉(zhuǎn)化成我們認(rèn)識的字母或者圖片呈現(xiàn)在眼前。

在電子計(jì)算機(jī)的CPU中，電子晶體管可以作為0或者1進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的基本單元，此時(shí)電子晶體管的通路可以代表數(shù)值1，斷路就代表數(shù)值0，而當(dāng)數(shù)以百萬計(jì)的電子晶體管及其他電子元件通過超大規(guī)模集成電路工藝被封裝在一小塊半導(dǎo)體晶片上時(shí)，這種具備數(shù)據(jù)處理能力并且被微型封裝的集成電路一般簡稱為“芯片”。

16核不夠用？那就再多“億”點(diǎn)！

然而，隨著生活和工作中數(shù)據(jù)處理任務(wù)的不斷增加，電子設(shè)備上CPU單一核心的運(yùn)算能力往往很難達(dá)到需求，這時(shí)候我們可以在CPU上集成多個(gè)運(yùn)算核心，從而保證多個(gè)核心可以同時(shí)獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)任務(wù)。

現(xiàn)在常見的商用計(jì)算機(jī)一般是采用8核CPU，甚至某些用以處理大型計(jì)算任務(wù)的工作站會擁有16核CPU。

但即使這樣高性能的計(jì)算機(jī)也難以滿足越來越復(fù)雜的計(jì)算需求，以我們常見的天氣預(yù)報(bào)為例，計(jì)算機(jī)需要將特定區(qū)域的大氣層離散成網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，而如果要達(dá)到對未來3天的準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上的氣象預(yù)測，則需要高達(dá)百億量級的浮點(diǎn)運(yùn)算，如果普通商用計(jì)算機(jī)來計(jì)算的話，需要耗時(shí)至少半個(gè)月。

此外，大數(shù)據(jù)中心支持下的城市智能交通和在線云端計(jì)算都需要指數(shù)量級的數(shù)據(jù)處理能力，于是，人們開始著手將高達(dá)數(shù)百萬的CPU互聯(lián)起來協(xié)同工作，從而建造能夠并行計(jì)算的“超級計(jì)算機(jī)”。

實(shí)際上，“超級計(jì)算機(jī)”并非單獨(dú)一臺擁有超級算力的計(jì)算機(jī)，而是超級計(jì)算機(jī)集群的簡稱。

也就是說，超級計(jì)算機(jī)集群的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一臺獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，它的“超級”之處在于自己內(nèi)部存在獨(dú)特的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這樣就可以同時(shí)調(diào)度所有節(jié)點(diǎn)上的成千上萬顆CPU，并且每顆CPU內(nèi)一般有幾十個(gè)物理核心，從而擁有指數(shù)量級的數(shù)據(jù)處理能力。

但是，“超級計(jì)算機(jī)”并非全能型選手，它只對可并行運(yùn)算的算法問題有強(qiáng)大的處理能力，卻無法加速處理串行計(jì)算的數(shù)據(jù)任務(wù)，此外，“超級計(jì)算機(jī)”操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度策略和編譯器的優(yōu)化也極大影響了自身的性能表現(xiàn)。

這里的串行/并行運(yùn)算任務(wù)可以這樣通俗地理解：一堆土方原本需要1個(gè)人用10小時(shí)搬運(yùn)完，同時(shí)也可以安排10個(gè)人用1小時(shí)搬完。

但是，如果遇到需要1個(gè)人花10小時(shí)挖一口只能容納一人進(jìn)行作業(yè)的井情況，就無法安排10個(gè)人在1小時(shí)內(nèi)完成，這就是“超級計(jì)算機(jī)”也難以高效處理的串行運(yùn)算任務(wù)。

因此，“超級計(jì)算機(jī)”并不是簡單的CPU和運(yùn)算核心的堆疊，其加速運(yùn)算能力不僅僅依靠CPU核心之間的高度協(xié)同互聯(lián)，還要優(yōu)化數(shù)據(jù)處理任務(wù)的算法次序來充分調(diào)用每一顆CPU的運(yùn)算潛能。

我們熟知的“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)共有40960顆CPU，并且其峰值的運(yùn)算速度達(dá)到了12.54億億次/秒，并且持續(xù)計(jì)算的速度達(dá)到了9.3億億次/秒。

“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)助力清華大學(xué)、北師大以及中科院團(tuán)隊(duì)完成“全球大氣非靜力云分辨模擬”，并實(shí)現(xiàn)了全球10公里高分辨率的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬，這一研究成果進(jìn)一步增強(qiáng)了我國應(yīng)對復(fù)雜氣象條件下的自然災(zāi)害監(jiān)測能力。

目前，“超級計(jì)算機(jī)”廣泛運(yùn)用于醫(yī)藥研發(fā)中的分子動力學(xué)模擬，電動汽車中的燃料電池設(shè)計(jì)，飛行器設(shè)計(jì)中的氣動外形優(yōu)化，核聚變領(lǐng)域中的約束裝置邊界穩(wěn)定性計(jì)算，以及原子物理學(xué)中的量子力學(xué)技術(shù)等。

超級計(jì)算機(jī)，亦有局限

但是，“超級計(jì)算機(jī)”的建造不僅僅需要數(shù)十億元的投入成本，還需要每日高達(dá)數(shù)十萬元的電費(fèi)支出。

此外，占據(jù)上千立方米的龐大體積以及復(fù)雜的水冷散熱系統(tǒng)也限制了“超級計(jì)算機(jī)”的進(jìn)一步發(fā)展。于是，人們開始重新思考如何讓計(jì)算機(jī)在更小的體積和更低的功耗下實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。

一個(gè)自然的想法是在同一塊芯片上集成更多的晶體管，曾經(jīng)作為英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾就提出“摩爾定律”，即集成電路上的晶體管數(shù)目每經(jīng)過18~24個(gè)月便會增加一倍，這樣CPU的數(shù)據(jù)處理能力就會翻一番。

這就是為什么，即使我們現(xiàn)在千元價(jià)位的手機(jī)CPU也比十年前的商用電腦擁有更強(qiáng)的運(yùn)算能力——因?yàn)榫w管密度增加了呀。

但是，“摩爾定律”并不能永遠(yuǎn)維持下去，原因之一是用于芯片微電路加工的光刻工藝已經(jīng)逼近2~3nm的光學(xué)衍射極限，已經(jīng)很難在保證芯片良品率的條件下進(jìn)一步提高晶體管密度。

此外，隨著晶體管尺寸的不斷減小，電極間的漏電現(xiàn)象以及巨大的散熱問題，也會導(dǎo)致芯片的性能失效。

面對這樣的困境，難道說，我們的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到此就進(jìn)入瓶頸了嗎？別著急，在下篇文章中筆者自然會為大家揭曉答案。