笔记本已经成为计算机的代名词， 现在的笔记本电脑也确实只有纸质笔记本的大小。那么,我们也许会问：科学家使用什么计算机呢?政府部门和科研 机构又使用什么计算机呢?

大型计算机

　　20世纪60年代，大型计算机 (Mainframe computer) 开始出现。 “mainframe”,意为主框架，这是因为这类计算机的中央处理器和中央存储器安装在很大的金属柜中。那时候， 最著名的大型计算机要数 IMB360, “360”来源于它的设计理念——满足用户360°全方位的需求。 IMB  360于 1965年在美国上市，在当时拥有众多 的新技术，开发投入高达50亿美金!

IBM 360体积庞大，计算机本身(除外接的打印机等设备外)就占据8立方 米的空间!这么庞大的机器，运行中自 然会产生很大的热量，因此大型计算机的机房必须是恒温的，除了专业维护人员，一般人不能随便进入。

　　IBM360 这类的大型计算机称霸一 时的原因很简单： 一直到80年代初， 这类大型计算机是唯一可以快速处理大 量数据的设备。同一时期存在的另一类 专业计算机叫作“小型计算机”(mini),但是它并非真的小，而只是比大型计算 机稍微小一点而已。

　　几十年后的今天，大型计算机这的机器仍然凭借大规模的数据吞吐 量和超高的安全性、可靠性和稳定性， 受到银行业、保险业和社保管理部门的 青睐。不过，今天提到大型专业计算机 的时候，很多人会首先想到超级计算机 (supercomputer)。

每秒10亿亿次运算

超级计算机是指能够极高速运算并处理大量数据的计算机，这种性能使很多复杂的模拟得以实现。其中，极高速的运算主要是依靠超级计算机独特的平 行结构设计。80年代末期开始的并行计算模式，即许多指令同时进行的计算模式，让一部超级计算机内的众多处理器 可以同时运作。

　　今天我们提到一台专业计算机的 运算速度时，所用的计量单位是每秒浮 点运算次数(FLOPS),  浮点运算可 以看作是涉及实数近似值的运算操作， FLOPS 是衡量运算速度的基本单位，比 如：英特尔酷睿i7980 XE处理器可以达 到101(1000亿) FLOPS, 而目前最强大的超级计算机“神威 ·太湖之光”的速度可以达到9.3×1016(9.3亿亿) FLOPS!

超级计算机的运算速度越来越快

　　其实，超级计算机的运算速度和处理器的数量有直接关系，今天的一台超级计算机内处理器数量已经数以万计， 比如：2012年美国克雷公司承建的泰坦 超级计算机(Titan)有56万个处理器。 然而，处理器的数量并不是超级计算机 运算速度的决定性因素，处理器本身的性能也很关键，比如：2016年中国生产 的“神威 ·太湖之光”超级计算机的处 理器数量是40960,少于泰坦，但是其运算速度却超过泰坦5倍之多，是目前世界上运算速度最快的超级计算机。

计算机“超人”都做些什么?

　　和早期的计算机一样，超级计算机的一个重要应用领域是国防科研，比如 模拟分析氢弹点燃时刻的状况，这涉及核物理和流体力学领域的知识、大量的 数据和计算公式，非常复杂。我们可以采用一种叫作“有限元分析法”的数学方法：假设我们需要模拟分析的对象是 一个不到一米长的核弹头在点燃瞬间的 反应，为了模拟分析的精确性，需要把这个不到一米长的弹头划分成众多的、 极小的子区域，光分解面积还不够。

“神威 ·太湖之光”超级计算机

　　　“神威 ·太湖之光”是世界上运算能力最强大的超级计算机，它是由40个机柜 组成。每个机柜比家用的双门冰箱略大，打开柜门，里面有4个“超级节点”,每个 “超级节点”由32块主板构成，每块主板上可以布置4张计算卡，每张“计算卡”上 有己个节点，每个节点就是”sW26010”高性能处理器。这样总共有40960个处理器 (2×4×32×4×40),10649600个核心。

　　　“神威 ·太湖之光”超级计算机在系统的峰值性能、持续性能、性能功耗比上都是 世界第一。

　　　“神威 ·太湖之光”在航空航天、石油勘探、车船设计、动漫制作、新药研发、生物 信息、气候模拟等方面都有作为，比如实现了对百万核规模、高分辨率的地球系统的数 值模拟，提高了对极端气候和自然灾害的预防能力；还可以模拟“天宫一号”返回的路径，并进行精确的预测，等等。

美国国家海洋和大气管理局在“全球天气预报系统” (GFS)的基础上，发展出了4D 预测系统，这套系 统需要用到三台超级计算机，每天处理来自全球数以十亿计的天气数据。现在这套系统可以提供未来五天的每小时天气预报

需要把点燃的那个时刻细分成很多个连续的、极短的瞬间(纳秒),所划分的面积越小、时间越短，模拟分析的结果就可以越快得出，出现错误的概率也会 降低，分析结果会更加准确。这种需要同时分析成千上万个小的组成部分的计 算，只有拥有大量处理器的超级计算机 才能办得到。

　　超级计算机还可以分析和预估天气。现代的天气预报主要是针对某一地 区(或地点)的地球大气层的状态分析， 通过卫星、地面观测站、气象观测气球 等方式收集大量数据(气温、湿度、风向、 风速、气压等),然后用建立在各种历史数据基础上的数学模型来分析估算出 某个地区的天气数据，再模拟出地球大 气层随时间推移而发生的变化。

      80年代的计算机，由于处理能力和分析的数据有限，通常是把需要预报 的地区粗略地分成100平方千米大小的 局部面积，再将大气层垂直分成4层， 但这样分析出来的结果并不十分精确； 而现在利用超级计算机，单位局部面积 可以缩小至3~5平方千米，大气层可以垂直分成60层，计算分析出来的结 果非常精确，就连距离很近的城镇的细微天气差异也可以体现出来。

　　近些年来，超级计算机取得了非 常惊人的进步。2016年，谷歌的超级 计算机战胜职业围棋手的故事很多人都知道，不过和人脑相比，超级计算机还是有不少需要学习借鉴的地方， 比如大脑独特的三维空间结构和信息 在神经网络中传递的方式都是目前最 强大的超级计算机难以模仿的。越来 越多的人对量子计算机的发展抱以很大的期望，也许这种基于不同逻辑模 式的计算机会更加接近我们大脑的思维方式。不过，从设想到实现，这种计算机恐怕还有一段路程。