Haben Sie schon einmal einen Computer gesehen, der so groß wie ein Haus ist?

Ich glaube, dass jeder im Alltag mehr oder weniger schon einmal den High-End-Begriff „Supercomputer“ gehört hat. Auch viele Medien verfolgen und berichten kontinuierlich über die Forschungsergebnisse der Supercomputer meines Landes. Wie leistungsfähig ist unser Land im Bereich der Supercomputer?

Gemessen an der Liste der 500 besten Supercomputer der Welt, die in den drei Jahren von 2020 bis 2022 veröffentlicht wurde, hat der japanische Supercomputer „Fugaku“ drei Meisterschaften in Folge errungen, gefolgt von den US-Supercomputern „Summit“ und „Sierra“ auf den Plätzen zwei und drei. Der Supercomputer „Sunway TaihuLight“ meines Landes belegt den vierten Platz und ein weiterer chinesischer Supercomputer „Tianhe-2“ den siebten Platz. Von 2010 bis 2015 erreichten Tianhe-1 und Tianhe-2 aus meinem Land sechsmal in Folge den Titel in der Liste der 500 besten Supercomputer der Welt, und Sunway TaihuLight führte 2016 und 2017 die Supercomputer-Weltrangliste an.

Quelle: Modern Express

Also, was ist ein Supercomputer? In welchen Bereichen können Supercomputer eingesetzt werden? Welche Engpässe und Herausforderungen gibt es in meinem Land im Bereich der Supercomputer?

1. Was ist ein Supercomputer?

Ein Supercomputer ist ein extrem großer elektronischer Computer. Funktionell unterscheidet er sich nicht von einem gewöhnlichen Computer, da er Daten eingibt und dann Berechnungsergebnisse liefert. Auch die Komponenten beider sind grundsätzlich gleich.

In puncto Effizienz und Skalierbarkeit übertreffen Supercomputer herkömmliche Computer jedoch bei weitem, da sie über superschnelle Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten und einen supergroßen Datenspeicherplatz verfügen.

Nehmen wir als Beispiel das „Shenwei TaihuLight“, das erste Produkt meines Landes, das mit im Inland produzierten Chips hergestellt wird. Es verfügt über insgesamt 40.960 Shenwei 26010-Multicore-Prozessoren. Obwohl ein einzelner Prozessor nur die Größe einer SD-Speicherkarte einer Kamera hat, verfügt er über eine enorme Rechenleistung. Der Prozessor hat eine Spitzenleistung von 12,54 Qf/s und eine Dauerleistung von 9,3 Qf/s (1 Qf sind 100 Milliarden).

Gerade aufgrund der Vielzahl der Komponenten beanspruchen Supercomputer eine sehr große Fläche. Beispielsweise erstreckt sich „Shenwei TaihuLight“ über eine Fläche von fast 1.000 Quadratmetern und besteht aus 40 Computerschränken und 8 Netzwerkschränken. Ein Schrank enthält 1.024 Prozessoren. Von außen betrachtet nimmt ein Supercomputer etwa so viel Platz ein wie ein Haus oder sogar ein Gebäude. Auch der Stromverbrauch von Supercomputern liegt im Tausend-Kilowatt-Bereich. Ein typischer Personalcomputer verbraucht nur wenige hundert Watt Strom. Der Energieverbrauch eines Supercomputers entspricht dem von 100.000 Personalcomputern. Um ein anschaulicheres Beispiel zu nennen: Der Energieverbrauch eines Supercomputers entspricht dem eines Hochgeschwindigkeitszuges, der mit 350 Kilometern pro Stunde fährt.

Quelle: Unsplash

Auch der Speicherplatz von Supercomputern ist riesig. Beispielsweise umfasst der Supercomputer „Tianhe-2“ meines Landes, der aus 170 Schränken besteht, 24 Speicherschränke mit einer Gesamtspeicherkapazität von 1.200 T und einer Gesamtspeicherkapazität von 11 PB (1 PB entspricht ungefähr 1,04 Millionen GB).

Quelle: Nanfang Net

2. Anwendung von Supercomputern

Supercomputer werden in vielen Bereichen des Militärs und der Zivilbevölkerung eingesetzt. Supercomputer können zur Beschleunigung aller Situationen eingesetzt werden, die umfangreiche numerische Simulationsberechnungen und Datenanalysen erfordern. Supercomputer können viele anspruchsvolle Probleme lösen, wie etwa die Simulation von Atomtests, die Ölförderung, Wettervorhersagen, landwirtschaftliche Züchtung, medizinische Dienste, die Entwicklung neuer Medikamente, Animations-Rendering, Materialdesign, Finanzberechnungen usw.

Quelle: CCTV.com

Ein internationales Team für numerische Simulationen kosmischer Neutrinos unter der Leitung chinesischer Wissenschaftler hat auf dem Supercomputersystem Tianhe-2 erfolgreich eine numerische Simulation kosmischer Neutrinos und dunkler Materie mit 30 Billionen Teilchen abgeschlossen und damit den langen Evolutionsprozess des Universums von 16 Millionen Jahren nach dem Urknall bis zu den heutigen 13,7 Milliarden Jahren enthüllt.

Supercomputer haben vielen Forschungsbereichen neue Forschungsmethoden beschert. Virtuelle Experimente auf Supercomputern oder sogar virtuelle Realität können reale Experimente unterstützen oder ersetzen.

In der Militärindustrie haben computersimulierte Atomexplosionen Atomexperimente vollständig ersetzt. Bei der Entwicklung von Flugzeugen werden Supercomputer zur Durchführung der aerodynamischen und strukturellen Konstruktion eingesetzt. Dank der enormen Rechenleistung von Supercomputern konnten mit virtuellen Experimenten die Grenzen der theoretischen und experimentellen Forschung durchbrochen werden, was den Forschungsprozess beschleunigt und gleichzeitig die Kosten deutlich senkt. Supercomputer sind ein wichtiger Dreh- und Angelpunkt sowohl der Landesverteidigung als auch der Wissenschaft und Technologie, daher ist es keine Übertreibung, sie als „schwere Waffe des Landes“ zu bezeichnen.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie wurden Supercomputer, die sich zu kompakten Geräten zur Informationsverarbeitung entwickelt haben, in alle Aspekte der Produktion und des Lebens integriert und bilden ein Netzwerk, das durch Cloud Computing, das Internet der Dinge und intelligente Geräte miteinander verbunden ist. Im wirtschaftlichen und sozialen Bereich können durch Data Mining die Konsumgewohnheiten der Menschen analysiert werden und die gewonnenen Forschungsergebnisse können die Betriebseffizienz verbessern.

Die weitverbreitete Existenz von Supercomputing und eng damit verbundenen Technologien sowie aufstrebenden Branchen wie intelligenter Fertigung, virtueller Realität usw. wird den Menschen eine Perspektive bieten, in der es schwierig ist, zwischen Realität und Fiktion zu unterscheiden, und so für die Zukunft mehr kreative Möglichkeiten mit sich bringen.

3. Herausforderungen für Supercomputer

Seit den 1990er Jahren wurden Supercomputer im Zuge der rasanten Entwicklung kommerzieller Allzweckprozessoren kontinuierlich weiterentwickelt. Seit dem Jahr 2000 hat die Zahl der Supercomputer, die mit kommerzieller Allzweckhardware gebaut wurden, mehr als 90 % der Gesamtzahl der Supercomputer erreicht. Allerdings sind diese nach dem Verfahren der „Standard-Hardware-Software-Anwendung“ entwickelten Maschinen auch auf neue Herausforderungen gestoßen.

Erstens können kommerzielle Allzweck-Software und -Hardware rechenintensive Probleme im professionellen Bereich nicht gezielt lösen, was dazu führt, dass Supercomputer bei der Lösung dieser Probleme nicht ihre volle Rechenleistung entfalten können. Gleichzeitig ist der Energieverbrauch von Supercomputern weiter gestiegen, das Verhältnis von Leistung zu Energieverbrauch (Energieverbrauchsverhältnis) hat sich jedoch nicht signifikant verbessert. Darüber hinaus stellen die hohen Betriebskosten von Supercomputern eine weitere Hürde dar, die ihre breitere Anwendung verhindert.

Quelle: Unsplash

Es ist absehbar, dass sich die Supercomputer-Technologie weltweit noch immer in einem Sturm der Innovation befindet. Da chinesische Wissenschaftler ihre Forschung und Entwicklung im Bereich Hard- und Software weiter intensivieren, wird sich die Supercomputertechnologie meines Landes weiterhin stetig weiterentwickeln und neue Ergebnisse hervorbringen.