疯哥 科学家们已经开始在世界上第一台官方百万兆次级机器Frontier上进行实验，而世界各地的设施正在建造其他机器加入行列。
可能很难将你的大脑包裹在世界上最快的超级计算机的数字处理能力上。但田纳西大学的计算机科学家杰克·唐加拉（Jack Dongarra）是这样说的：“如果地球上的每个人都每秒进行一次计算，那么需要四年时间才能与计算机在一秒钟内所能完成的工作相等。
有问题的超级计算机被称为Frontier。它占据了田纳西州东部山丘橡树岭国家实验室的两个网球场的空间，并于 2022 年 <> 月在那里揭幕。
以下是更多规格：Frontier使用大约50,000个处理器，而最强大的笔记本电脑使用16或24个处理器。它的功耗为20万瓦，而笔记本电脑的功耗为65瓦左右。建造成本为600亿美元。
当Frontier上线时，它标志着所谓的百万兆次级计算的曙光，机器每秒可以执行exaflop或五千万亿次（1018）浮点运算。从那以后，科学家们已经准备好制造更多这种速度极快的计算机：几台百万兆级机器将于2024年在美国和欧洲上线。
但速度本身并不是最终目标。研究人员正在建造百万兆次级计算机，以探索生物学、气候、天文学和其他领域以前无法解决的科学和工程问题。在接下来的几年里，科学家们将使用Frontier来运行人类有史以来最复杂的计算机模拟。他们希望追求尚未解决的关于自然的问题，并在从交通到医学领域设计新技术。
例如，匹兹堡大学的埃文·施耐德（Evan Schneider）正在使用Frontier来模拟我们的银河系如何随着时间的推移而演变。特别是，她对进出银河系的气体流动感兴趣。星系在某种程度上呼吸：气体流入其中，通过引力凝聚成恒星，但气体也会流出 – 例如，当恒星爆炸并释放物质时。施耐德研究星系呼气的机制。“我们可以将模拟与真实观测到的宇宙进行比较，这让我们了解我们是否得到了正确的物理，”施耐德说。
施耐德正在使用Frontier构建银河系的计算机模型，该模型具有足够高的分辨率，可以放大单个爆炸的恒星。这意味着该模型必须捕获我们银河系在100万光年的大规模特性，以及大约000光年宽的超新星的特性。“这真的没有完成，”她说。为了理解这种分辨率的含义，它类似于创建一个物理上准确的模型，包括一罐啤酒以及其中的各个酵母细胞，以及两者之间每个尺度的相互作用。
GE高级工程师Stephan Priebe正在使用Frontier来模拟下一代飞机设计的空气动力学。为了提高燃油效率，GE正在研究一种称为“开放式风扇架构”的发动机设计。喷气发动机使用风扇产生推力，更大的风扇意味着更高的效率。为了使风扇更大，工程师建议拆除外部结构框架，称为机舱，以便叶片像风车一样暴露在外。“仿真使我们能够在设计阶段的早期获得空气动力学性能的详细视图，”Priebe说。例如，它们使工程师能够深入了解如何塑造风扇叶片以获得更好的空气动力学性能，或使其更安静。
Frontier将特别有利于Priebe对湍流的研究，湍流是风扇周围扰动流体（在这种情况下是空气）的混沌运动。湍流是一种普遍现象。我们在海浪的撞击和熄灭的蜡烛升起的烟雾中看到了这一点。但科学家们仍然难以预测湍流流体的确切流动方式。这是因为它的移动既响应宏观影响，如压力和温度变化，也响应微观影响，如空气中单个氮分子相互摩擦。多个尺度上的力相互作用使运动复杂化。
“在研究生院，[一位教授]曾经告诉我，’布朗森，如果有人告诉你他们理解湍流，你应该把一只手放在钱包上，然后回到房间外，因为他们试图向你推销一些东西，’”天体物理学家布朗森梅塞尔说，他是橡树岭领导计算设施的科学主任，该设施是Frontier的所在地。“没有人理解湍流。这确实是最后一个伟大的经典物理问题。
这些科学研究说明了超级计算机的独特优势：同时模拟多个尺度的物理对象。其他应用程序呼应了这一主题。Frontier能够实现更准确的气候模型，这些模型必须模拟整个地球不同空间尺度的天气，以及长期和短期时间尺度的天气。物理学家还可以模拟核聚变，即太阳通过将原子推到一起形成不同元素来产生能量的湍流过程。他们希望更好地了解这一过程，以便将聚变发展为一种清洁能源技术。虽然这些多尺度模拟多年来一直是超级计算的主要内容，但Frontier可以比以往任何时候都包含更广泛的不同尺度。
为了使用Frontier，获得批准的科学家远程登录超级计算机，通过互联网提交他们的工作。为了充分利用这台机器，橡树岭的目标是让大约90%的超级计算机处理器每周24天，每天700小时运行计算。“我们进入了这种稳定的状态，我们几年来一直在进行科学模拟，”梅塞尔说。用户将数据保存在橡树岭的数据存储设施中，该设施可以存储多达700 PB，相当于大约000,<>个便携式硬盘驱动器。
虽然Frontier是第一台百万兆级超级计算机，但更多的超级计算机正在推出。在美国，研究人员目前正在安装两台能够进行两次以上exaflops的机器：伊利诺伊州阿贡国家实验室的Aurora和加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的El Capitan。从2024年初开始，科学家们计划使用Aurora创建大脑中神经元的地图，并寻找可以使化肥生产等工业过程更有效率的催化剂。El Capitan也计划于2024年上线，它将模拟核武器，以帮助政府在没有武器试验的情况下维持其库存。与此同时，欧洲计划在2024年底部署其第一台百万兆次级超级计算机Jupiter。
据称，中国也有百万兆次级超级计算机，但它尚未公布其性能的标准基准测试结果，因此这些计算机没有出现在TOP500上，这是最快的超级计算机的半年名单。“中国人担心美国在技术进入中国方面施加进一步限制，他们不愿意透露有多少这样的高性能机器可用，”Dongarra说，他设计了超级计算机必须运行TOP500的基准。
对更多计算能力的渴望并不止于百万兆次级。Oak Ridge已经在考虑下一代计算机，Messer说。这些计算能力将是Frontier的三到五倍。但一个主要挑战迫在眉睫：巨大的能源足迹。Frontier汲取的力量，即使闲置，也足以运行数千个家庭。“对我们来说，仅仅把机器越来越大可能是不可持续的，”梅塞尔说。
随着橡树岭建造越来越大的超级计算机，工程师们一直致力于通过创新来提高机器的效率，包括新的冷却方法。Summit是Frontier的前身，仍在橡树岭运行，消耗其总能源使用量的10%左右来冷却自己。相比之下，Frontier的能源消耗中有3%到4%用于冷却。这种改进来自于使用环境温度的水来冷却超级计算机，而不是冷冻水。
下一代超级计算机将能够同时模拟更多的规模。例如，在Frontier中，施耐德的星系模拟分辨率低至数十光年。这仍然不足以达到单个超新星的规模，因此研究人员必须分别模拟单个爆炸。未来的超级计算机也许能够统一所有这些规模。
通过更逼真地模拟自然和技术的复杂性，这些超级计算机突破了科学的极限。更逼真的星系模拟将浩瀚的宇宙带到科学家的指尖。飞机风扇周围空气湍流的精确模型避免了建造昂贵得令人望而却步的风洞的需要。更好的气候模型使科学家能够预测我们星球的命运。换句话说，它们为我们提供了一个为不确定的未来做准备的新工具。