超級計算機，指能夠執行一般個人電腦無法處理的高速運算的計算機，規格與效能比個人計算機強大許多。現有的超級計算機運算速度大都可以達到每秒一次以上。「超級計算」這名詞第一次出現，是在 1929 年《紐約世界報》關於 IBM 為哥倫比亞大學建造大型製表機的報導。中國超級計算機重返世界之巔 ，亞太日報，2013 年 6 月 17 日 1960 年代，超級計算機由西摩克雷在控制資料公司裡設計出來並領先市場直到 1970 年代克雷創立自己的公司克雷研究。憑著他的新設計，他控制了整個超級計算機市場，並佔據顛峰位置長達五年（1985 年－1990 年）。到了 1980 年代，正值小型計算機市場萌芽階段，大量小型對手加入競爭。在 1990 年代中期，很多對手受不了市場的衝擊而消聲匿跡。今天，超級計算機成了一種由像 IBM 及惠普等大型計算機公司所特意設計的計算機。雖然這些公司透過不斷併購其他公司而增強了自己的經驗，克雷研究依然是超級計算機領域的巨頭之一。 歷史 「超級計算機」一詞並無明確定義，其含義隨計算機業界的發展而發生變化。早期的控制資料公司機器可達十倍速於競爭對手，但仍然是比較原始的標量處理器。到了 1970 年代，大部分超級計算機就已經是向量處理器了，很多是新進者自行開發的廉價處理器來攻佔市場。1980 年代初期，業界開始轉向大規模平行計算系統，這時的超級計算機由成千上萬的普通處理器所組成。1980 年代中葉，將適量的向量處理器（一般由 8 個到 16 個不等）聯合起來進行平行計算成為通用的方法。1990 年代以後到 21 世紀初，超級計算機則主要互聯基於精簡指令集的張量處理器（譬如 PowerPC、PARISC 或 DEC Alpha）來進行平行計算。 用途 超級計算機常用於需要大量運算的工作，譬如數值天氣預報、運算化學、分子模型、天體物理模擬行星流體動力學大規模計算的效能測試與分析 、汽車設計模擬、密碼分析等。 縮圖 1963 年使用打孔機的第一代 Atlas 超級計算機 設計 超級計算機的創新設計在於把複雜的工作細分為可以同時處理的工作並分配於不同的處理器。他們在進行特定的運算方面表現突出，但在處理一般工作時卻不那麼優秀。他們的資料結構是經過精心設計來確保資料及指令及時送達 傳遞速度的細微差別可以導致運算能力的巨大差別。其輸入／輸出系統也有特殊設計來提供高頻寬，但是這裡的資料傳輸延遲卻並不重要 超級計算機並非資料交換機。 根據阿姆達爾定律，超級計算機的設計都集中在減少軟體上的序列化、用硬體在瓶頸上加速。 技術挑戰及其解決方案 超級計算機通常產生大量的高熱，冷卻超級計算機是一個很大的問題。 因為資料傳送的速度不能比光快，幾公尺的距離導致了幾十奈秒的延遲，而克雷著名的環型設計保持了最短距離。 超級計算機在短時間內消耗及生產大量的資料，需要投入很多資源確保資訊妥善傳送及存取。 因超級計算機而開發的技術： zhcn 向量；zhtw 向量； 處理器和張量處理器 水冷技術 非均勻訪存模型 處理器技術 zhcn 向量；zhtw 向量； 處理因超級計算機而建立並用於高效能運算。zhcn 向量；zhtw 向量； 處理技術後來被用於普通計算機內的訊號處理架構及單指令流多資料流，例如：家用遊戲機及通用圖形處理器等。基於延遲隱藏因子的 GPU 計算模型 A GPU Computational Model Based on Latency Hidden Factor 作業系統 一般的超級計算機都使用 Unix 或類 Unix 作業系統，但在講求絕對高效能的操作環境時，超級計算機開發人員會動用特別的輕量級核心（Light Weight Kernel－LWK），減少中斷請求、行程間通訊等開銷以提高效能。 輕量級核心包括 Cray XT3 的 CatamountSoftware Architecture of the Light Weight Kernel Catamount ，Cray XT4 的 CNL Compute Node Linux Compute Node Linux New Frontiers in Compute Node Operating System ， 以及 IBM 藍色基因的 CNK（Compute Node Kernel）。IBM System Blue Gene Solution Application Development zhcn 程式設計；zhtw 程式設計； 環境 訊息傳遞介面及較舊的並列虛擬機器（PVM）常用於非共享記憶體系統（Distributed Memory System），而 OpenMP 常用於共享記憶體並行系統。Message Passing Interface MPI OpenMP 傳統上 Fortran 的編譯器可以產生比 C 或 C 更高效能目的碼，所以 Fortran 仍然被使用作科學 zhcn 程式設計；zhtw 程式設計；。 最佳化編譯器 超級計算機需要編譯器最佳化技術以產生優佳的目的碼，現今的最佳化編譯器都對向量化（Vectorization）、程式迴圈、記憶體階層及資料區域性性進行最佳化。A Study of loop nest structures and locality in scientific programs Code and data transformations for cache locality and parallelism 此外，最佳化編譯器都以高層次的中間表示（Intermediate Representation）最佳化程式 － 包括 Open64 編譯器的 WHIRL、Open64 Compiler Whirl Intermediate Representation IBM XL 編譯器的 Wcode。An Incomplete Survey of Compiler Technology at the IBM Toronto Laboratory 數學函式庫 超級計算機主要執行科學運算等擁有大量向量及矩陣浮點計算的程式，因此最佳化常用的數學函式會提高運算效能。BLAS 函式庫使向量及矩陣浮點計算效能大大提高，BLAS 庫在多核處理器上的效能測試與分析 Anatomy of HighPerformance Matrix Multiplication 而優佳化數學函式庫則提高三角函式及平方根等數學運算。Innovation Impact The IBM MASS Libraries HighPerformance ProcessorTuned Mathematical Functions 平行檔案系統 平行檔案系統屬於分散式檔案系統的一類，支援多客戶端節點、多檔案系統伺服器，以及支援平行 IO（如 MPIIO、HDF5）；現今流行的平行檔案系統包括 Lustre 和 PVFS。Lustre Publications 網路技術 超級計算機節點之間的通訊一般都需要使用高效能的網路介面，現今大多 TOP500 的超級計算機使用乙太網路（448）及 InfiniBand（418）。TOP500 Statistics 傳統上 InfiniBand 比乙太網路有更高的頻寬，同時因作業系統呼叫省略（Operating System Bypass）而提供更低的延遲時間（latency）；然而 2011 年思科系統開發 VFIO 技術於超級計算機和叢集應用，使一般的乙太網路介面也能提供低延遲時間，從而提升乙太網路在超級計算機的應用層面。SC11 Cisco booth demo Open MPI over Linux VFIO 通用超級計算機的型別 大致上可以分為三種： zhcn 向量；zhtw 向量； 處理機器能為大量資料同時進行同樣的運算。 叢集式處理器特別建立連線處理器及記憶體的通訊網路，非均勻訪存模型就是最常見的。最快的超級計算機就是使用這個科技。 商品計算機叢集使用高頻寬低延誤的網路來連線大量普通商品計算機，建設成一個計算機叢集。 根據摩爾定律及經濟規模，一個現代的桌面計算機比 15 年前的超級計算機有更高效能，皆因某些超級計算機的設計已經放在桌面計算機內。再者，簡單晶片的開發及生產成本位元意設計給超級計算機的更便宜。 超級計算機所處理的問題都適合並行化，當中減少處理單元之間的資料傳送量。因此，傳統的超級計算機可以被計算機叢集所代替。 最快的超級計算機 TOP500 列表排名世界上最快的 500 臺超級計算機 TOP500 Supercomputing Sites GREEN500 列表排名世界上最節能的超級計算機 速度單位 超級計算機速度以每秒浮點運算次數 FLOPS（floatingpoint operations per second）來作量度單位，常見的表示計算機中的峰值或速度用的單位英漢對照如下： 一個 MFLOPS（megaFLOPS）等於每秒 100 萬（106）次的浮點運算 一個 GFLOPS（gigaFLOPS）等於每秒 10 億（109）次的浮點運算 一個 TFLOPS（teraFLOPS）等於每秒 1（1012）次的浮點運算 一個 PFLOPS（petaFLOPS）等於每秒 1 千（1015）次的浮點運算 一個 EFLOPS（exaFLOPS）等於每秒 100 京（1018）次的浮點運算 此外，由於浮點積和熔加運算或乘積累加是兩次的浮點運算（每條 FMA 指令包括加 減及乘），因此當處理器支援 FMA 指令時，峰值是兩倍每秒所能執行 FMA 指令的數目。 目前最快的超級計算機 截至 2022 年 6 月 1 日，目前全球最快的超級電腦是 AMD 與美國能源局橡樹嶺實驗室合作打造的超級電腦「Frontier」，運算能力是 1102 ExaFLOPS，和二名的日本理化學研究所（Riken）與富士通（Fujitsu）共同研發的「富嶽」（Fugaku）運算能力 41553 PFLPOS 約 26 倍。「Frontier」採用 AMD 代號「Milan」的第三代 EPYC 伺服器處理器，搭配 OCP 加速器模組設計的 Instinct MI250X 加速繪圖卡構成，這也是超級電腦再次由 x86 架構奪下第一名。 目前最節能的超級計算機 截至 2017 年 11 月 14 號，世界上最節能的超級計算機是日本國立理化學研究所的菖蒲超級計算機 B 型。 過往的超級計算機 2009 年 10 月，中國研製的第一臺千萬億次超級計算機在湖南長沙亮相，全系統峰值效能為每秒 1206PFlops。這臺名為天河一號的計算機位居同日公佈的中國超級計算機前 100 強之首，也是當時世界上最快的超級計算機。天河一號的研製成功使中國成為繼美國之後世界上第二個能夠研製千萬億次超級計算機的國家。 2008 年 11 月，IBM 的 Roadrunner 成為當時最快的超級計算機，運算能力為 1105PFlops。 2008 年 11 月 16 日，克雷公司推出美洲虎系列，運算能力為 1059PFlops，採用 45376 顆四核心的 Opteron 處理器，362 太位元組的記憶體，傳輸總頻寬 284GBSec，硬碟容量超過 10 拍位元組，內部的資料匯流排頻寬 532 太位元組 秒。這臺計算機將放置在美國的國家高速計算機中心，並開放給各界有需要的團體申請使用。 2007 年 11 月，IBM 的 Blue GeneL，運算能力為 4782 TFlops，安裝了 32768 個處理器。它是 PowerPC 架構的修改版本，正式運作版本被推出到很多地點，包括羅蘭士利物摩亞國家實驗室。 在 Blue GeneL 之前，最快的超級計算機是日本電氣株式會社在橫濱地球科學學院的地球模擬器。它由 640 個特別設計的 8 階 zhcn 向量；zhtw 向量； 處理器根據 NEC SX6 架構所組成的叢集，使用 Unix 的修改版本。 在地球模擬器之前，最快的超級計算機是美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室的 ASCI White，它的冠軍位置維持了 25 年。 類超級運算 某些分散式運算把叢集超級運算推至極限。例如 SETIhome 計劃現在平均有 667716 TeraFLOPS 運算能力。 2009 年 4 月，Foldinghome 聲稱擁有超過 8PFLOPS 運算能力。 GIMPS 運算能力也高達 18TFLOPS。 Google 的搜尋引擎系統 Google 資料中心總處理能力界乎於 126 及 316TFLOPS 之間。Tristan Louis 估計這個系統等於 32000 至 79000 臺雙 2 GHzXeon 計算機。由於散熱問題，Google 的搜尋引擎系統應該屬於網格運算。 超級電腦時間線 年份 國家 超級電腦名稱 每秒浮點運算次數 地點 1942 年 30 OPS 美國愛荷華州立大學 1942 年 200 OPS 英國布萊切利園 1944 年 巨人計算機 5 kOPS 英國 Dollis Hill Post Office Research Station 1946 年 賓夕法尼亞大學電子數值積分計算機 100 kOPS 美國馬裡蘭州戰爭部阿伯丁試基地 1954 年 國際商業機器公司 67 kOPS 美國維珍妮亞州海軍試驗基地 1956 年 麻省理工學院 83 kOPS 美國麻省理工學院 1958 年 國際商業機器公司 400 kOPS 美國空軍 23 號基地 1960 年 通用自動計算機 250 kFLOPS 美國加州 1961 年 12 MFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室 1964 年 CDC 6600 3 MFLOPS 美國加州 1969 年 CDC 7600 36 MFLOPS 美國加州 1974 年 100 MFLOPS 美國加州 1975 年 150 MFLOPS 美國加州 1976 年 250 MFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室 1981 年 CDC Cyber 205 400 MFLOPS （世界很多地方） 1983 年 4 941 MFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室，波音公司 1984 年 24 GFLOPS 蘇聯 1985 年 Cray28 39 GFLOPS 美國加州 1988 年 2 GFLOPS 1989 年 103 GFLOPS 美國佛羅裡達大學 1990 年 日本電氣 344R 232 GFLOPS 日本府中市 NEC 府中廠 1993 年 1993 年 655 GFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室；美國國家安全域性 1993 年 韓國科學技術情報硏究院 富士通 12450 GFLOPS 1993 年 英特爾 XPS 140 14340 GFLOPS 美國 1994 年 富士通 17040 GFLOPS 1996 年 日立製作所 1024 2204 GFLOPS 日本東京大學 1996 年 日立製作所 築波大學 CPPACS2048 3682 GFLOPS 日本築波市 1997 年 英特爾 9152 1338 TFLOPS 美國 1999 年 英特爾 9632 23796 TFLOPS 美國 2000 年 國際商業機器公司 7226 TFLOPS 美國加州 2002 年 日本電氣地球模擬器 3586 TFLOPS 2004 年 國際商業機器公司藍色基因 L 7072 TFLOPS 美國能源部；國際商業機器公司 2005 年 國際商業機器公司藍色基因 L 1368 TFLOPS 美國能源部 NNSALLNL 2005 年 國際商業機器公司藍色基因 L 2806 TFLOPS 美國能源部 NNSALLNL 2007 年 國際商業機器公司藍色基因 L 4782 TFLOPS 美國能源部 NNSALLNL 2008 年 國際商業機器公司走鵑 1026 PFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室 2008 年 國際商業機器公司走鵑 1105 PFLOPS 美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室 2009 年 橡樹嶺國家實驗室美洲虎 1759 PFLOPS 美國橡樹嶺國家實驗室 2010 年 天河一號 2566 PFLOPS 中國天津國家超級計算天津中心 2011 年 RIKEN 京（KComputer） 1051 PFLOPS 日本國立理化學研究所 2012 年 國際商業機器公司藍色基因 Q 1632475 PFLOPS 美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室 2012 年 超級計算機 雷 107 TFLOPS 韓國首爾大學計算機工程學系 2012 年 11 月 13 日 橡樹嶺國家實驗室泰坦 1759 PFLOPS 美國橡樹嶺國家實驗室 2013 年 天河二號 3386 PFLOPS 中國廣州國家超級計算廣州中心 2016 年 神威太湖之光 9301 PFLOPS 中國無錫國家超級計算無錫中心 2018 年 高峰 1223 PFLPOS 美國能源部所屬實驗室 2020 年 富嶽 41553 PFLPOS 日本神戶市中央區理化學研究所 RIKEN 電腦科學中心（RCCS） 2022 年 Frontier 1102 EFLOPS 美國能源部所屬實驗室 專用超級計算機 專用超級計算機都是針對單一問題而開發的計算機。這些計算機都使用專門程式設計的 FPGA 晶片及超大型密集晶片，縱然犧牲普遍性也要提高成本效能比率。它們被用於天文物理學及密碼破解之上。 例子： 深藍，專門用於分析國際象棋 GRAPE，天文物理 Deep Crack，DES 解碼器 科幻中的超級計算機 Matrix「母體」是電影《駭客任務》中，由機器所創造出的一個模擬環境，用以控制人類，並從人類身上吸取能源。 SkyNet「天網」是電影《魔鬼終結者》中美國軍方所開發具有人工智慧的超級計算機，但後來它具有自我意識而以全人類為敵。 ARIIA「愛莉亞」是電影《鷹眼》中美國軍方所開發具有人工智慧的超級計算機，但後來它以自我威脅判斷而決心消滅美國既有領導階層。 VIKI「薇琪」是電影《機械公敵》中由美國 USR 公司所開發具有人工智慧的超級計算機，但後來它以自我學習認定人類有自毀傾向，必須消滅所有威脅改由機器人監護才會有未來。 MAGI「麥棋」是動漫《新世紀福音戰士》中，設立於 NERV 總部由三臺主機組成的超級計算機。MAGI 是古代三賢人的稱呼，他們是耶穌誕生的時候贈送耶穌禮物的東方三賢人。與使徒的對戰中，用以判斷使徒的降落點與分析使徒弱點，提供攻擊方針以及成功機率做參考數值。特別的是將三個不同的人格加入了三個主機當中，分別是科學家、母親、女性，在理性的計算之外也擬人的加入性格作為判斷的依據。當判斷有衝突時，三賢人系統會以投票機製做最後定奪。 HAL 9000《2001 年太空漫遊》中主角鮑曼所乘搭的太空船發現號的主機，被安裝了可以在必要時殺死乘員的功能。 TRANSLTR 是丹布朗（Dan Brown）的小說 《數位密碼》中美國國家安全域性所暗中開發的超級計算機，主要用來監聽網際網路封包，破解一切可能對國家安全造成威脅的加密訊息，包括加密的電子郵件，但是它的存在不被政府所承認。 Veda「吠陀」是日本動漫《機動戰士 GUNDAM 00》中由雪兒亞克斯迪卡（Chall Acustica）所整合的量子型計算機，由天人組織（Celestial Being）所使用，連線上地球所有網路，瞬間獲得任何資訊，計算出預算方案。能與所謂 變革者（Innovator）及原始變革者以腦量子波為媒介進行同步連線。有兩臺，一臺在第二季終戰後交由地球聯邦掌管，第二臺由馮恩史帕克取得，但內部資料已經被刪除。 XANA，來自動漫 Code Lyoko 一臺有人工智慧的超級計算機，原用於計算，後用與摧毀軍事機密，有倒轉時空的能力。他的發明者後來發現此功能後不斷使用，導致 XANA 不斷自我升級。最後 XANA 透過計算得出結論：主宰地球。於是不斷髮動 XANA 的環境平臺『Lyoko』裡的圓塔（開啟後可用於計算使用並能實現虛擬事物現實化）透過電纜對人類進行破壞。後來它能夠實體化，把『lyoko』刪除了，但是被潛伏在世界上其他超級計算機裡的發明者發回了『Lyoko』原資料，『Lyoko』才得以重建。 樹狀圖設計者，來自日本動漫《魔法禁書目錄》和《科學超電磁砲》中以分析氣象資料為藉口，搭載於織女星一號衛星上的超級計算機；每月會運算一次地球上所有空氣粒子運動，可一次運算一個月的天氣；其他日子就用來對學園都市的許多研究進行科研運算。在《魔法禁書目錄》中被茵蒂克絲的魔法在太空中擊毀，而其核心被回收之後被一方通行徹底摧毀。 MOSS（原名：550W），是電影《流浪地球》系列中的智慧量子計算機，有自我意識、自我迭代、自我更新的特點。550W 開發於量子計算機 550A、550C 之後，MOSS 是它給自己起的名字，負責管理空間站事務，是流浪地球計劃與火種計劃的監督者和執行者。 註釋 參考文獻 外部連結 超級計算資源 TOP500 超級計算機列表 中國超級計算機行業 超級計算中心及組織 上海超級計算中心 國家高速網路與計算中心 位於臺灣新竹市，是中華民國國家實驗研究院的附屬機構。 勞倫斯利福摩爾國家實驗室 LLNL 高效能運算主頁 位於美國的勞倫斯利福摩爾國家實驗室 HPCx 英國超級計算機服務，由 EPCC 及 Daresbury 實驗室營運 國家超級計算無錫中心（神威太湖之光） 參見 超級計算的歷史和相關概念 貝奧武夫機群 分散式計算 快閃黨電腦 網格運算 運算曆史 平行計算 其他計算機型別 主機 量子計算機 微型計算機 小型計算機 大型計算機 超級計算機公司及產品 克雷研究公司 富士通 星盈科技 Groupe Bull（法國公司，曾宣稱制造歐洲最高效能的超級計算機） IBM NEC 超級計算機系統 SGI 太陽計算機（提供 Sun Grid Engine、Lustre 檔案系統等開放原始碼軟體） Category 平行計算