2． 大科學催生利器

過去的一百年里，電子計算機技術歷經多次飛躍。根據計算機采用的物理器件，一般將計算機的發展分成四個階段：20世紀四五十年代的電子管時代，20世紀中期的晶體管時代，20世紀60年代的集成電路時代，以及20世紀70年代以來的微處理時代。如果以交通工具來類比，這一發展歷程相當于從驢車到加長凱迪拉克。

第一代電子管計算機的基本特征是采用電子管作為計算機的邏輯元件，數據表示主要是定點數，用機器語言或匯編語言編寫程序。由于當時電子技術的限制，每秒運算速度僅為幾千次，內存容量僅幾KB。

正當電子管計算機流行世界的時候，伴隨“固態革命”而來的晶體管已經在貝爾電話實驗室（Bell Telephone Laboratories）悄然誕生，晶體管不僅能替代電子管整流、檢波和放大，而且比電子管體積小、壽命長、不發熱、耗電小。1955年，貝爾實驗室研制出世界上第一臺全晶體管計算機TRADIC（TRAnisitor DIgital Computer）。IBM在1960年全面推出晶體管化的7000系列電腦，成為第二代電子計算機的典型代表載入史冊。

第二代晶體管電路電子計算機的基本特征是：邏輯元件逐步由電子管改為晶體管，外存儲器有了磁盤、磁帶，運算速度達每秒幾十萬次，內存容量擴大到幾十KB，應用領域也從計算擴展到了事務處理、工程設計等方面。

1959年2月6日，基爾比（J. S. Kilby, 1923—2005）向美國專利局申報專利“半導體集成電路”，他成功地在不超過4平方毫米的面積上集成了20多個元件。1964年，在IBM成立50周年之際，IBM歷史上最為成功的機型——IBM360問世，標志著第三代計算機全面登場。第三代集成電路計算機的邏輯元件采用中小規模集成電路，運算速度每秒可達幾十萬次到幾百萬次。

20世紀70年代以后，計算機用集成電路的集成度迅速從中小規模發展到大規模、超大規模水平，微處理器和微型計算機應運而生。1974年底，電腦愛好者愛德華·羅伯茨（E.Roberts, 1942—2010）發布了自己制作的裝配有Intel第一款8位微處理芯片的計算機“牛郎星”。這臺世界上第一部使用微處理器的計算機，從此掀開了個人電腦的序幕。

計算機世界就這樣爆發了一場又一場革命。從第一代到第四代計算機，機器的體積越來越小，計算速度越來越快，價格越來越低，操作系統越來越完善，而應用軟件已成為現代工業的一部分。

如果說計算機技術的發展為超級計算機的出現奠定了物質基礎，來自大科學的需求則為其提供了現實動力。

20世紀前，科學研究基本上是一個人或幾個人進行的“家庭作坊”。隨著現代科學的迅猛發展，科學的分工越發細致，到20世紀90年代，現代科學學科已突破6000門。

人類對客觀世界認識深化、細化的同時，集合思維的要求也越來越高。第二次世界大戰后，科學研究領域開始出現現代綜合思潮。1962年，美國普魯大學科學史教授普賴斯（Derek de Solla Price, 1922—1983）首次提出“大科學”概念。它有三個基本特征：大科學是科技、經濟與社會高度協同的科學；大科學是各種學科滲透、綜合和匯流的科學；大科學是一個既有機統一而又開放的大系統。

世界歷史上著名的“大科學”項目包括：20世紀40年代美國陸軍部實施的“曼哈頓”工程（即原子彈計劃）, 20世紀60年代蘇聯組織的載人航天工程，20世紀60年代美國宇航局組織的“阿波羅”登月工程，20世紀六七十年代中國實施的“兩彈一星”計劃，20世紀末美國、英國、法國、德國、中國和日本共同參與的人類基因組計劃，21世紀初美國國防部實施的“導彈防御”計劃等。

這些工程和計劃規模浩大，由大量科技人員參加，投入了大量科研經費，歷時長。中國的“兩彈一星”計劃調動了26個部委、20多個省（區、市）、1000多家單位的精兵強將，歷時近10年完成。美國的“阿波羅”登月工程同樣前后花了10年時間，參與的大企業達2萬多家，大學和科研機構120多個，參研人員多達40萬人，花去240億美元。

自然地，“大科學”項目需要計算性能更強的計算機——高性能計算機（High Performance Computer），又稱超級計算機（Super Computer）或巨型計算機。

“超級計算（Supercomputing）”這個詞第一次見諸于世，是在《紐約世界報》1929年關于IBM為哥倫比亞大學建造大型報表機（Tabulator）的新聞中。

超級計算機通常是指由數百數千甚至更多的處理器（機）組成的、能計算普通PC機和服務器不能完成的大型復雜課題的計算機。美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室對超級計算機的定義是：由8個或更多的計算節點組成、作為單個高性能機器工作的集群。一些廠家這樣定義：超級計算機的運算速度平均每秒1000萬次以上，存儲容量在1000萬位以上。

天河二號工程副總指揮、新聞發言人李楠則將超級計算機定義為“同時代里運算速度達到最高級別的大容量巨型計算機”。他用5個“超級”來描述超級計算機。速度超級快——天河二號超級計算機運算1小時，相當于13億人同時用計算器計算1000年；容量超級大——天河二號可存儲12Pbyte的信息，相當于600億冊10萬字的圖書；體積超級大——日本“京”有864個機柜，美國“紅杉”96個機柜、“泰坦”200個機柜；耗電超級多——Google的數據中心不得不建在水電站旁邊；造價超級貴——各國的投入不遺余力。

誰最早提出超級計算機的概念，很難考證了。第一個研發出符合超級計算機定義產品的人是西蒙·克雷（Seymour Cray, 1925—1996），他日后被人們稱為“巨型機之父”。

克雷出生于美國威斯康星州的一個工程師世家。1960年，剛成立三年的控制數據公司（Control Data Corporation, CDC）接受美國原子能委員會的委托開始研制巨型機，公司的電腦總設計師就是年僅31歲的克雷。

根據克雷的要求，CDC在密林深處為他建立了一個實驗室，配備了一個34人組成的研究小組。這位骨子里的工程師謝絕一切社交活動，以“叢林隱士”的姿態埋頭研制。1963年8月，被克雷稱作“簡單的蠢東西”CDC6600超級計算機問世。

CDC6600仍屬于第二代電腦，共安裝了35萬個晶體管。作為第一臺真正意義上的超級計算機，它的運算速度達到1Mflops。CDC6600和升級產品CDC7600統治了世界高性能計算10年之久。

接下來的20世紀70年代中后期，以向量超級計算為主的超級計算機陸續出現，如CDCCyber205和克雷1號。值得一提的是1975年誕生的“克雷1號”，實現了當時絕無僅有的超高速——每秒1億次運算。這臺超級計算機的體積卻并不巨大，占地不到7平方米，質量不超過5噸，共安裝了約35萬塊集成電路。它同時標志著巨型機加入了第三代電腦的行列。

在20世紀70年代和80年代初期，向量計算處理對提高計算機運算速度十分有利，卻已經接近物理極限，要想繼續提高性能意味著必須投入多個CPU同時為一個程序工作。于是，一個全新的概念——大規模并行處理（MPP）被提出來了，超級計算機開始走上真正的商用化道路。

一般認為，超級計算機的發展經歷了5個階段：早期的單處理器巨型機、向量處理系統、大規模并行處理系統、共享內存處理系統和集群系統。目前各國研制的超級計算機大都使用集群式結構，只不過在具體采用的節點機型、互連拓撲結構及互連技術上會有所不同。與當年的向量式計算機不同的是，集群式超級計算機系統具有結構靈活、通用性強、安全性高、易于擴展、高可用性和高性價比等諸多優點。

自1976年美國克雷公司推出世界上首臺運算速度達每秒2.5億次的超級計算機以來，超級計算機堪稱集萬千寵愛于一身的高科技寵兒，在天氣預報、生命科學、地球資源勘探、航空航天等高科技領域大展身手。

數千年來，人類主要通過理論和實驗兩種手段從事科學探索。16世紀后，以伽利略（Galileo Galilei, 1564—1642）和牛頓（Sir Isaac Newton FRS, 1642—1727）為代表的科學家對科學方法論進行了重大變革，使這兩種手段更加完備。但對于許多復雜的科學問題，理論研究與實驗方法都有很大局限性。電子計算機的發明則大大提升了人的計算能力，計算已經成為除實驗、理論之外第三種科學活動的主要方式。

科學計算的能力異常強大。哈勃望遠鏡看不到億萬年前的太空，計算機能算出來。實驗無法預知未來氣候，計算機能算出來。海嘯來襲速度極快，但美國科學家最近在超級計算機上發現了海嘯和地震聲波的關系，可以通過探測聲波提前預警。這些關系人類未來生存和發展的大科學問題，是超算發展的根本驅動力。

進入21世紀后，競爭日漸激烈，高性能計算越發成為一個國家綜合國力的體現和支撐國家實力持續發展的關鍵技術之一。鑒于超級計算機在解決諸如國防、能源、金融和材料等領域關乎國家利益問題上的能力，發展超算具有重要價值。競相研制最快的超級計算機已成為國家自豪感的來源，新世紀科學最重要和經濟上最有前途的研究前沿，最有可能通過先進的計算技術和運用計算科學得到解決。超級計算技術還開始運用到許多主要的經濟活動中：石油和天然氣公司利用超級計算機來尋找儲藏，華爾街交易人利用超級計算機進行超快速的自動交易，寶潔公司甚至利用超級計算機來確保薯片在裝罐時不會破碎。同時，擁有大型超級計算機的研究中心對頂級科學人才極具吸引力，因此超級計算機的意義超出了簡單的計算。

當然，是否把發展超算納入國家戰略，取決于一國的發展狀態、技術和人才實力以及經濟基礎。作為近年來國家實力大大增強的世界第二大經濟體，在建設創新型國家的巨大驅動下，中國迎來了一個需要大力發展超級計算機的時期。