你可能很難理解世界上最快的超級計算機的運算處理能力。
美國田納西大學的計算機科學家傑克·東嘉利（Jack Dongarra）這樣形容：「如果地球上的每個人每秒都做一次計算，那麼需要四年的時間才能趕上這台超算一秒鐘的計算能力。」
這台超級計算機名為「Frontier」，目前仍是世界上唯一一台百億億次級超算。
它位於美國田納西州東部山區的橡樹嶺國家實驗室，於 2022 年 5 月與公眾見面，占據的空間足足有兩個網球場那麼大。
Frontier 使用了大約 5 萬個處理器，遠遠碾壓普通的個人電腦。
它的功耗約為 2000 萬瓦，而筆記本電腦的功耗只有 65 瓦左右。它的建造成本是 6 億美元。
圖 | 橡樹嶺國家實驗室的百億億級超算（來源：OLCF）
當 Frontier 上線時，它標誌著所謂的百億億次計算（exascale computing）的問世。這意味著它每秒可以執行百億億次浮點運算（即 1018 次浮點運算）。
自它問世以後，科學家們還在製造更多這種速度極快的計算機：2024 年，美國和歐洲都將有幾台百億億次超算投入使用。
但運算速度並不是終極目標。
研究人員正在建造的百億億次超算，將用於探索生物學、氣候、天文學和其他領域以前無法解決的科學和工程問題。
在接下來的幾年裡，科學家們將使用 Frontier 來運行人類有史以來最複雜的計算機模擬。
他們希望探索尚未找到答案的自然問題，並設計包括交通、醫學等許多領域的新技術。
例如，美國匹茲堡大學的埃文·施耐德（Evan Schneider）正在使用 Frontier 模擬我們的星系是如何隨時間演變的。
她對銀河系內外的氣體流動特別感興趣。
在某種程度上，星系是會「呼吸」的：氣體流入其中，通過引力聚合成恆星。但氣體也會流出，例如，當恆星爆炸並釋放物質時。
施耐德研究了星系「呼氣」的機制。
其表示：「我們可以將模擬與實際觀測到的宇宙進行比較，這讓我們知道我們是否得到了正確的物理原理。」
施耐德正在使用 Frontier 建立一個銀河系的計算機模型，該模型具有足夠高的解析度，可以放大單個爆炸的恆星。
這意味著，該模型必須捕捉到 10 萬光年外銀河系的大尺度特性，以及直徑約 10 光年的超新星的特性。
她說：「這從未有人實現過。」
你可能不清楚這種解析度意味著什麼。打個比方，它類似於創造一罐啤酒的物理精確模型，其精度為單個酵母細胞，並且可以展示酵母之間的相互作用。
通用電氣的高級工程師司提反·普雷厄比（Stephan Priebe）正在使用 Frontier 模擬下一代飛機設計的空氣動力學。
為了提高燃油效率，通用電氣正在研究一種被稱為「開放式風扇架構」的發動機設計。
噴氣發動機使用風扇來產生推力，風扇越大意味著效率越高。
為了讓風扇變得更大，工程師們考慮移除被稱為發動機艙的外部結構框架，這樣葉片就像風車一樣暴露在外面。
「計算機模擬使我們能夠在設計階段的早期就獲得空氣動力學性能的詳細視圖，」普雷厄比說。
例如，它們讓工程師們了解如何塑造更好的空氣動力學風扇葉片，或者使它們更安靜。
Frontier 將特別有利於普雷厄比對湍流的研究。湍流是被擾動的流體的混沌運動，在這種情況下，是風扇周圍的空氣。
在自然界中，湍流是一種常見現象。
我們可以在海浪的撞擊中觀察到它，也可以在蠟燭熄滅後升起的裊裊炊煙中看到它。
但科學家們仍在努力預測湍流究竟是如何流動的。
這是因為它的運動既受宏觀影響（如壓力和溫度變化），也受微觀影響（如空氣中單個氮分子之間的相互摩擦）。
多重尺度上力的相互作用使運動複雜化。
「在讀研究生的時候，（一位教授）曾經告訴我，『布朗森，如果有人告訴你他們懂湍流，你應該用手護住錢包，然後離開房間，因為他們想向你推銷一些東西，』」美國天體物理學家布朗森·梅塞爾（Bronson Messer）說，他是橡樹嶺領導計算設施（Oak Ridge Leadership Computing Facility）的科學主任，Frontier 就在這個設施里。
「沒有人理解湍流。這真的是最後一個偉大的經典物理問題。」
這些科學研究說明了超級計算機的獨特優勢：同時在多個尺度上模擬物理對象。
超算的其他應用也反映了這一主題。
Frontier 可以實現更精確的氣候模型，這些模型必須在整個地球的不同空間尺度上模擬天氣變化，同時也要在長時間和短時間尺度上模擬。
物理學家還可以模擬核聚變，即太陽通過將原子推到一起形成不同元素來產生能量的湍流過程。
他們希望更好地了解核聚變的過程，以便將核聚變發展成為一種清潔能源技術。
雖然這類多尺度模擬多年來一直是超級計算機的主要工作，但 Frontier 可以結合比以往更廣泛的不同尺度。
為了使用 Frontier，獲得批准的科學家可以遠程登錄到超級計算機，通過網絡提交他們的工作。
為了充分利用這台機器，橡樹嶺的目標是讓 90% 的超級計算機處理器進行每周 7 天、每天 24 小時的不間斷計算。
梅塞爾說：「我們進入了這種穩定的狀態，在這種狀態下，我們在幾年的時間裡不斷地進行科學模擬。」
用戶將數據保存在橡樹嶺的數據存儲設施中，該設施最多可存儲 700pb，相當於大約 70 萬個 1TB 移動硬碟的容量。
雖然 Frontier 是第一台百億億次超級計算機，但更多的超級計算機即將問世。
在美國，研究人員目前正在安裝兩台運算速度超過每秒 200 億次的計算機：位於伊利諾州阿貢國家實驗室的 Aurora 和位於加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 El Capitan。
從 2024 年初開始，科學家們計劃使用 Aurora 來繪製大腦神經元的圖像，並尋找可以提高肥料生產等工業過程效率的催化劑。
El Capitan 也計劃於 2024 年上線，它將進行核武器模擬，以幫助政府在不進行核武器試驗的情況下計算和維持其戰備庫存。
與此同時，歐洲計劃在 2024 年底部署其首台百億億次超級計算機「Jupiter」。
對更強計算能力的渴望並沒有隨著百億億次超算的出現而停止。梅塞爾說，橡樹嶺已經在考慮下一代計算機，它們的計算能力將是 Frontier 的三到五倍。
但一個主要挑戰亟待解決，那就是巨大的能源足跡。
Frontier 所使用的電力，即使是在空閒的時候，也足以供成千上萬的家庭使用。
梅塞爾說：「簡單粗暴地讓機器越來越大，可能是不可持續的。」
隨著橡樹嶺建造越來越大的超級計算機，工程師們一直在努力提高機器的效率，包括使用一種新的冷卻方法。
Summit 是 Frontier 的前身，目前仍在橡樹嶺運行，其總能耗的 10% 用於冷卻。相比之下，Frontier 的能耗僅 3% 到 4% 用於冷卻。
這種改進來自於使用室溫下的水來冷卻超級計算機，而不是溫度較低的冷水。
下一代超級計算機將能夠同時模擬更多的尺度。例如，在 Frontier 中，施耐德的星系模擬解析度可以達到幾十光年。
這仍然不足以達到單個超新星的規模，因此研究人員必須分別模擬單個爆炸。
未來的超級計算機或許能夠統一所有這些尺度。通過更真實地模擬自然和技術的複雜性，這些超級計算機拓展了科學的極限。
一個更真實的星系模擬可以將宇宙的浩瀚帶到科學家的指尖。飛機風扇周圍空氣湍流的精確模型，免去了建造昂貴得令人望而卻步的風洞的需要。
更好的氣候模型使科學家能夠預測我們星球的命運。換句話說，它們給了我們一個新的工具來為不確定的未來做準備。
作者簡介：索菲亞·陳（Sophia Chen）是美國俄亥俄州哥倫布市的一名科學記者，主要報道物理和計算機。2022 年，她曾是加州大學伯克利分校西蒙斯計算理論研究所的常駐科學傳播者。