每年两次，一个名为TOP500的组织会发布一份全球最快超级计算机的列表。这是一个全球最强大机器的排名——拥有像Sunway TaihuLight和Tianhe-2这样名字的庞大装置。这两者都是中国的计算机，前者是世界上最快的。这份列表的最新版本于周一发布，排名前五的超级计算机分别来自中国、瑞士、日本和美国。
但是，虽然这份榜单及时地列出了强大的计算机——目前中国在榜单上占据主导地位，在前500名中有202台——但它的发布也提供了提问的好时机：什么造就了一台超级计算机，科学家们又用它们来做什么？
“超级计算机是一种大型机器，旨在将其计算能力集中于一个单一问题，”伊利诺伊大学超级计算应用国家中心（拥有名为Blue Waters的机器）的负责人Bill Gropp说。换句话说，一个大型服务器农场可能正在为你的Gmail体验提供动力，或者为你播放Netflix流媒体，但它的计算能力集中于许多单独的任务，而不是一个单一的、复杂的任务。
重要的是，超级计算机 meant to handle problems that can be broken down into smaller pieces—but pieces that don’t remain in isolation. “Those pieces have to communicate with their neighbors,” Gropp says.（但这些部分需要与它们的邻居通信，”Gropp说。）
要想象一下它是什么样子，可以想象一下冰箱大小的机柜里塞满了组件，比如处理器。大型的可以占据数千平方英尺。
顶级超级计算机的排名使用一种称为浮点运算每秒（flops）的指标，这是衡量其进行数学运算速度的一种方法。Sunway TaihuLight机器的峰值运算能力为93 petaflops，也就是93千万亿次浮点运算。榜单上最快的美国机器名为Titan，其运算能力超过17 petaflops。（只是不要将它们与腹部跳水混淆，那完全不同，而且用处小得多。）
由硅片构成的世界
想想自然世界的复杂性——分子相互作用的方式，龙卷风的形成，或者飓风的路径。在数字上模拟这些需要大量的计算能力。
Cray Inc（制造超级计算机的公司）的首席技术官Steve Scott表示，这些强大的机器在科学过程中扮演着重要角色。“基本上，计算机所做的是模拟自然界，”他说。
例如：考虑一下艾滋病病毒。这种病毒被包裹在一种称为衣壳的物质中，衣壳由1300个蛋白质组成。为了更好地理解衣壳与病毒进入的细胞之间的相互作用，特拉华大学化学与生物化学助理教授Juan Perilla使用两台超级计算机运行了一次模拟。其中一台是位于橡树岭国家实验室的Titan。另一台是位于伊利诺伊州的Blue Waters。
这次模拟产生了如此之多的数据——近100太字节——以至于他们再次需要Blue Waters来处理这些数据。
当被问及是否可以在没有超级计算机的情况下完成这项工作时，他笑了。“这将需要几代人的时间，”他说。“我们正在以前所未有的高分辨率，逐个原子地研究自然。”
就像病毒与细胞之间的相互作用一样复杂，龙卷风从超级单体风暴中形成也是如此，这是一个同样需要超级计算机来模拟的现象。欧洲中期天气预报中心等气象中心也依靠超级计算机来预测天气。
核选项
除了模拟自然现象，超级计算机还支持其他方面的应用，比如弄清楚脏弹或化学武器如何在城市中扩散其有害物质。“这实际上是一个计算量非常大的问题，”Cray的Scott说。
“核武库是通过模拟来维护的，”他补充道。“这是最具挑战性的问题之一，也是美国政府圈子里资助高端计算的主要驱动力之一。”
敬请期待该列表的更新版本——这份关于驱动科学、工业研究和国家安全的全球机器排名——将于明年六月发布。
