2025年11月8日，第七屆中國超級算力大會（ChinaSC2025）在京舉行。會上發(fā)布了《2025中國高性能計算機(jī)（HPC）性能TOP100榜單》，這一榜單自2002年首次發(fā)布以來，已連續(xù)發(fā)布24年，成為中國乃至全球觀察中國高性能計算領(lǐng)域發(fā)展水平、技術(shù)趨勢和應(yīng)用動向的重要窗口和權(quán)威參考。本次榜單的榜首，2023年部署于某超算中心的主機(jī)系統(tǒng)，其峰值計算性能達(dá)到了驚人的620 PFLOPS（PetaFLOPS，即每秒一千萬億次浮點運算），實測性能（LINPACK）也達(dá)到了487.94 PFLOPS。這一數(shù)字不僅刷新了中國HPC系統(tǒng)的性能紀(jì)錄，也標(biāo)志著中國在全球超算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位得到進(jìn)一步鞏固。

面對如此強(qiáng)大的數(shù)據(jù)，可能已經(jīng)有朋友想知道，超級計算機(jī)與我們生活中用的個人計算機(jī)（PC）有哪些區(qū)別，如果用高性能計算機(jī)來打游戲那豈不是要起飛？那今天我們就來了解一下，什么是高性能計算機(jī)，高性能計算機(jī)都有什么用途。

“神威·太湖之光”超級計算機(jī)

圖片來源：國家超級計算無錫中心

什么是高性能計算機(jī)（HPC）

高性能計算機(jī)（High Performance Computing，HPC）并非指單一的、功能強(qiáng)大的計算機(jī)，而是一個由大量計算節(jié)點（可以理解為高性能的服務(wù)器）通過高速網(wǎng)絡(luò)連接而成的龐大計算集群。一個典型的HPC系統(tǒng)主要由三個核心部分構(gòu)成：計算系統(tǒng)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和存儲系統(tǒng)。計算系統(tǒng)是HPC的“大腦”，由大量的計算節(jié)點組成，每個節(jié)點通常包含多個高性能的多核或眾核處理器（CPU）以及用于加速計算的圖形處理器（GPU）或其他加速器。高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則是HPC的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，負(fù)責(zé)在成千上萬個計算節(jié)點之間高速、低延遲地傳輸數(shù)據(jù)，確保各個節(jié)點能夠高效協(xié)同工作。存儲系統(tǒng)則是HPC的“記憶庫”，用于存放海量的計算數(shù)據(jù)和結(jié)果，通常采用并行文件系統(tǒng)，以提供極高的數(shù)據(jù)讀寫帶寬。所以HPC的本質(zhì)是一種聚合計算資源，通過并行處理技術(shù)，將成千上萬的處理器核心協(xié)同工作，以實現(xiàn)對復(fù)雜科學(xué)、工程和商業(yè)問題的快速求解，其強(qiáng)大之處在于其能夠處理“海量數(shù)據(jù)”和“復(fù)雜模型”，例如，模擬全球氣候變化需要處理PB（1 PB=1000 TB）級別的數(shù)據(jù)，而模擬一個蛋白質(zhì)分子的折疊過程則需要進(jìn)行萬億次級別的浮點運算，這些都是普通計算機(jī)無法勝任的。國家超級計算天津中心主任劉光明曾用一個生動的比喻來形容超級計算機(jī)“天河一號”的運算能力：它運算1小時，相當(dāng)于全國13億人同時用計算器計算340年以上。這種驚人的計算能力，使得HPC成為國家科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“國之重器”，在氣候模擬、新藥研發(fā)、材料設(shè)計、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

“天河二號”超級計算機(jī)

圖片來源：國家超級計算廣州中心

HPC vs PC

HPC的架構(gòu)設(shè)計理念與家用電腦截然不同，它采用的是一種“集群”或“分布式”的架構(gòu)。相比之下，我們?nèi)粘Ｊ褂玫钠胀矣秒娔X，也就是個人計算機(jī)（PC）的架構(gòu)則是一種“單打獨斗”的模式，它通常是一個獨立的系統(tǒng)，核心是一顆或兩顆多核CPU（例如，常見的4核、8核或16核），負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)中的所有計算任務(wù)。雖然現(xiàn)代家用電腦也配備了GPU，但其主要用途是處理圖形渲染任務(wù)，以支持高清視頻播放和3D游戲，其架構(gòu)和驅(qū)動程序并非為大規(guī)模科學(xué)計算而優(yōu)化。個人計算機(jī)的系統(tǒng)總線、內(nèi)存帶寬和存儲速度都是圍繞滿足單個用戶的需求來設(shè)計的，其性能瓶頸在于單個處理器的處理能力和串行任務(wù)的執(zhí)行效率，當(dāng)面臨需要海量計算和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)時，便會顯得力不從心，例如，一個需要個人計算機(jī)數(shù)天甚至數(shù)周才能完成的復(fù)雜仿真任務(wù)，在HPC上可能只需要幾小時甚至幾分鐘就能完成，這種效率上的巨大差異，正是兩者架構(gòu)本質(zhì)不同的直接體現(xiàn)。

既然高性能計算機(jī)比普通家用電腦強(qiáng)大這么多，那用超級計算機(jī)打游戲或者運行我們常用的軟件豈不是爽到飛起？

事實并非如此。HPC的核心優(yōu)勢在于并行計算，即將一個大任務(wù)分解成無數(shù)個小任務(wù)，交由成千上萬個計算核心同時處理。然而，大多數(shù)游戲的核心邏輯是串行的，即需要按順序一步步執(zhí)行。雖然游戲中的圖形渲染、物理效果等部分可以并行化，但游戲的主循環(huán)、AI決策、用戶輸入處理等核心邏輯很難被有效地并行化。因此，將游戲運行在HPC上，大部分計算核心可能處于閑置狀態(tài)，無法發(fā)揮其并行計算的優(yōu)勢。此外，HPC的處理器（如“申威26010”）采用的是為科學(xué)計算優(yōu)化的指令集和架構(gòu)，與游戲所需的架構(gòu)不同，這導(dǎo)致游戲程序無法直接在HPC的處理器上運行。

申威26010架構(gòu)以及從核陣列結(jié)構(gòu)邏輯示意圖

圖片來源：國家超級計算無錫中心

高性能計算機(jī)已深入生產(chǎn)生活

說了這么多，高性能計算機(jī)到底都能用在哪里呢？

高性能計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域分布

圖片來源：光明網(wǎng)

在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，HPC是探索未知世界的“望遠(yuǎn)鏡”和“顯微鏡”。它能夠模擬和解析那些實驗手段難以觸及或成本極高的自然現(xiàn)象，從而拓展科學(xué)的邊界。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，HPC的應(yīng)用正在深刻地改變著我們對生命本質(zhì)的理解和疾病治療的方式。其中，基因組學(xué)是其最重要的應(yīng)用方向之一。對人類基因組進(jìn)行測序和分析，會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。例如，一個完整的人類基因組包含約30億個堿基對，對其進(jìn)行高精度測序和比對分析，需要動用HPC進(jìn)行大規(guī)模的并行計算。通過HPC，科學(xué)家可以在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)完成一個基因組的分析，而使用傳統(tǒng)計算機(jī)可能需要數(shù)月甚至數(shù)年。這使得大規(guī)模人群的基因組研究成為可能，為揭示遺傳病的發(fā)病機(jī)制、尋找疾病的生物標(biāo)志物以及實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)醫(yī)療奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在藥物研發(fā)方面，HPC同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的藥物發(fā)現(xiàn)過程漫長且成本高昂，通常需要耗費十年以上的時間和數(shù)十億美元的資金。而基于HPC的計算模擬，可以極大地加速這一過程�？茖W(xué)家可以利用HPC模擬藥物分子與靶點蛋白（如病毒的關(guān)鍵酶）的相互作用，通過分子動力學(xué)模擬，在原子層面上觀察藥物分子如何與靶點結(jié)合，以及結(jié)合后的構(gòu)象變化。這種方法可以在計算機(jī)上快速篩選數(shù)百萬甚至數(shù)十億個候選化合物，從中找出最有潛力的“先導(dǎo)化合物”，從而將實驗室中的“大海撈針”式篩選，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У挠嬎銠C(jī)輔助藥物設(shè)計（CADD）。

氣候和環(huán)境科學(xué)是HPC應(yīng)用最經(jīng)典、最成功的領(lǐng)域之一。全球氣候系統(tǒng)是一個極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，受到大氣、海洋、陸地、冰雪等多個圈層相互作用的影響。要對未來天氣和氣候變化做出準(zhǔn)確的預(yù)測，就需要求解描述這些物理過程的復(fù)雜偏微分方程組。這些方程組無法用解析方法求解，只能通過數(shù)值方法進(jìn)行離散化，然后在計算機(jī)上進(jìn)行模擬。HPC使得高分辨率、長時效的氣候模擬成為可能。通過將地球表面劃分為數(shù)百萬甚至數(shù)千萬個網(wǎng)格點，并在每個網(wǎng)格點上求解物理方程，HPC可以模擬出全球范圍內(nèi)的風(fēng)、云、降水、溫度等氣象要素的演變。

除此之外，在《流浪地球》等科幻電影的特效制作、汽車碰撞模擬分析、金融風(fēng)險預(yù)警等領(lǐng)域的背后，都有著高性能計算機(jī)的強(qiáng)力支持。

作為科技創(chuàng)新的核心引擎，強(qiáng)大的計算能力已經(jīng)滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計和商業(yè)分析的方方面面，深刻地改變了我們認(rèn)識世界、改造世界和決策的方式。從微觀的基因序列到宏觀的宇宙演化，從尖端飛行器的設(shè)計到日常消費品的研發(fā)，高性能計算機(jī)都扮演著不可或缺的角色。它通過高精度的數(shù)值模擬和大數(shù)據(jù)分析，極大地縮短了研發(fā)周期、降低了成本，并使得許多過去無法實現(xiàn)的科學(xué)探索和技術(shù)創(chuàng)新成為可能。

在當(dāng)前復(fù)雜的國際形勢下，實現(xiàn)核心技術(shù)的自主可控，是中國高性能計算機(jī)發(fā)展的必然選擇。這包括核心芯片、操作系統(tǒng)、編譯器、并行編程環(huán)境等關(guān)鍵軟硬件的國產(chǎn)化。我國在這方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。例如，“神威·太湖之光”實現(xiàn)了包括“申威26010”處理器在內(nèi)的所有核心部件的全面國產(chǎn)化。新一代的“天河星逸”系統(tǒng)也采用了國產(chǎn)的計算架構(gòu)和處理器。在軟件生態(tài)方面，我國也在積極構(gòu)建自主的HPC應(yīng)用生態(tài)，開發(fā)了一系列面向領(lǐng)域的超算應(yīng)用平臺，支持各行各業(yè)取得了顯著的應(yīng)用實效。未來，我國還將繼續(xù)加大對HPC核心技術(shù)的研發(fā)投入，構(gòu)建更加完善和開放的國產(chǎn)HPC軟硬件生態(tài)，確保國家信息安全和科技發(fā)展的主動權(quán)，在科研突破的攻堅中、在產(chǎn)業(yè)升級的浪潮里，HPC正以“國之重器”的姿態(tài)，托舉著科技自立自強(qiáng)的夢想。

申威26010

圖片來源：國家超級計算無錫中心

參考資料

https://tech.gmw.cn/2025-11/11/content_38405891.htm

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2025/11/387143.shtm

https://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/201702/t20170215_392407.html

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/10/306288.shtm

https://fsc.fzu.edu.cn/info/1041/1146.htm

https://fms.news.cn/swf/2016_qmtt/6_20_2016_jsj/index.html

https://mp.weixin.qq.com/s/G7-eGQmECJf3F6_x-K-pLw

來源：蝌蚪五線譜

編輯：夜凌Ryelin

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