一、從“超級(jí)大腦”到“國之重器”：認(rèn)識(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)演講人01從“超級(jí)大腦”到“國之重器”：認(rèn)識(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)02從“跟跑”到“領(lǐng)跑”：中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的成長之路03突破“卡脖子”：中國超算的核心技術(shù)密碼04超算“落地生根”：它如何改變我們的生活？05總結(jié)：中國超算的“精神密碼”與“未來召喚”目錄2025小學(xué)五年級(jí)科學(xué)上冊(cè)中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)成就課件作為一名長期從事高性能計(jì)算教育普及的工作者，我始終記得第一次帶五年級(jí)學(xué)生參觀國家超級(jí)計(jì)算中心時(shí)的場(chǎng)景——當(dāng)孩子們看到“神威太湖之光”那占地千余平方米的銀色機(jī)柜，聽到“每秒12.54億億次運(yùn)算”的數(shù)字時(shí)，眼睛里閃爍的好奇與驚嘆，讓我深切意識(shí)到：向青少年講好中國超算故事，不僅是傳遞科技知識(shí)，更是播種“科技自立自強(qiáng)”的種子。今天，我們就以“中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)成就”為主題，從“認(rèn)識(shí)超算”“中國超算的成長之路”“核心技術(shù)突破”“超算如何改變我們的生活”四個(gè)維度，共同探索這一“國之重器”的魅力。01從“超級(jí)大腦”到“國之重器”：認(rèn)識(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)1什么是超級(jí)計(jì)算機(jī)？它和我們的電腦有何不同？同學(xué)們每天使用的電腦，主要功能是處理文檔、播放視頻、運(yùn)行小游戲，它們的核心是中央處理器（CPU），就像一個(gè)“小管家”，同時(shí)處理幾項(xiàng)任務(wù)。而超級(jí)計(jì)算機(jī)，是由成百上千甚至數(shù)萬個(gè)這樣的“小管家”（計(jì)算芯片）組成的“超級(jí)團(tuán)隊(duì)”，通過特殊的“協(xié)作規(guī)則”（體系架構(gòu)），能在極短時(shí)間內(nèi)完成海量數(shù)據(jù)的計(jì)算。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：如果用普通電腦計(jì)算全球70億人口的DNA序列（這是現(xiàn)代生物研究的基礎(chǔ)），可能需要幾萬年；而超級(jí)計(jì)算機(jī)只需幾分鐘甚至幾秒鐘。它的本質(zhì)是“人類擴(kuò)展自身計(jì)算能力的工具”，被稱為“現(xiàn)代科學(xué)研究的發(fā)動(dòng)機(jī)”。2超級(jí)計(jì)算機(jī)為什么重要？——國家科技競(jìng)爭(zhēng)力的“標(biāo)尺”在國際科技競(jìng)爭(zhēng)中，超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)水平被視為衡量一個(gè)國家綜合科技實(shí)力的核心指標(biāo)之一。這是因?yàn)椋嚎茖W(xué)探索的“加速器”：從預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)路徑、模擬核反應(yīng)，到研究宇宙大爆炸、尋找新型材料，許多前沿科學(xué)問題都需要超算的“計(jì)算實(shí)驗(yàn)”來替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)；產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“催化劑”：汽車碰撞測(cè)試、飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)、新藥分子篩選……工業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜計(jì)算需求，超算能將研發(fā)周期從數(shù)年縮短至數(shù)月；國家安全的“護(hù)盾”：氣象預(yù)警、能源調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)系國計(jì)民生的關(guān)鍵領(lǐng)域，都依賴超算的實(shí)時(shí)高效計(jì)算。我曾參與過一次氣象超算的科普活動(dòng)，工作人員告訴我：2023年臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”登陸前，超算僅用2小時(shí)就完成了百萬節(jié)點(diǎn)的氣象模型計(jì)算，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)了登陸點(diǎn)，為沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移群眾爭(zhēng)取了72小時(shí)的黃金時(shí)間——這就是超算的“生命價(jià)值”。02從“跟跑”到“領(lǐng)跑”：中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的成長之路從“跟跑”到“領(lǐng)跑”：中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的成長之路中國超算的研發(fā)史，是一部“從零起步、自主創(chuàng)新”的奮斗史。讓我們沿著時(shí)間軸，感受這份“中國速度”。2.1起步階段（1980-2000年）：從“空白”到“突破”新中國成立初期，我國連一臺(tái)自主研發(fā)的通用電子計(jì)算機(jī)都沒有。1978年，鄧小平同志提出“中國要搞自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，一場(chǎng)“超算突圍戰(zhàn)”正式打響。1983年，“銀河-Ⅰ”巨型計(jì)算機(jī)誕生，運(yùn)算速度達(dá)每秒1億次，這是我國首臺(tái)每秒億次級(jí)超算，讓中國成為繼美國、日本后第三個(gè)能獨(dú)立研制超算的國家。但當(dāng)時(shí)的“銀河”還依賴進(jìn)口芯片，就像“用別人的零件組裝快車”，核心技術(shù)受制于人。從“跟跑”到“領(lǐng)跑”：中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的成長之路2.2追趕階段（2000-2010年）：從“組裝”到“自研”進(jìn)入21世紀(jì)，國家啟動(dòng)“863計(jì)劃”“核高基專項(xiàng)”等重大科技項(xiàng)目，明確“核心技術(shù)必須自主可控”。2008年，“曙光5000A”問世，運(yùn)算速度突破每秒230萬億次，首次采用國產(chǎn)“龍芯”芯片；2010年，“天河一號(hào)”橫空出世，以每秒2570萬億次的速度登頂全球超算TOP500榜單，這是中國超算首次獲得世界第一——但此時(shí)的“天河一號(hào)”仍部分使用國外芯片，就像“有了自己的車身，卻還在用進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)”。3領(lǐng)跑階段（2010年至今）：從“并跑”到“超越”2016年，“神威太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)震撼亮相：它完全采用國產(chǎn)“申威26010”芯片，運(yùn)算速度達(dá)每秒12.54億億次，不僅連續(xù)4次蟬聯(lián)全球超算TOP500榜首，更實(shí)現(xiàn)了從芯片到操作系統(tǒng)的“全鏈條自主可控”。2021年，“九章”量子計(jì)算原型機(jī)問世，在高斯玻色采樣問題上的計(jì)算速度比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬億倍，標(biāo)志著我國在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“量子優(yōu)越性”；2023年，“天河三號(hào)”E級(jí)超算原型機(jī)完成部署，運(yùn)算速度突破每秒百億億次（10^18次），為人工智能、基因測(cè)序等前沿領(lǐng)域提供了“超級(jí)引擎”。我至今記得“神威太湖之光”總設(shè)計(jì)師在講座中說的話：“當(dāng)我們把最后一塊國產(chǎn)芯片裝入機(jī)柜時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)抱頭痛哭——這不僅是一臺(tái)機(jī)器的成功，更是中國人在‘計(jì)算疆域’里的一次‘主權(quán)宣示’?！?3突破“卡脖子”：中國超算的核心技術(shù)密碼突破“卡脖子”：中國超算的核心技術(shù)密碼超級(jí)計(jì)算機(jī)不是簡(jiǎn)單的“芯片堆砌”，它的研發(fā)涉及芯片設(shè)計(jì)、體系架構(gòu)、軟件生態(tài)等多個(gè)“硬核技術(shù)”。中國超算能走到世界前列，靠的是在這些關(guān)鍵領(lǐng)域的“十年磨一劍”。1芯片：超算的“心臟”——從“依賴進(jìn)口”到“自主可控”芯片是超算的核心部件，相當(dāng)于“計(jì)算力的最小單元”。早期中國超算因缺乏自主芯片，曾面臨“斷供”風(fēng)險(xiǎn)。2015年，美國對(duì)中國禁售高性能超算芯片，反而加速了國產(chǎn)芯片的研發(fā)進(jìn)程。“申威26010”芯片是其中的典型代表：它采用國產(chǎn)自主指令集，單芯片集成260個(gè)運(yùn)算核心（普通電腦CPU通常只有8-16個(gè)核心），功耗僅100瓦，卻能提供相當(dāng)于30臺(tái)普通電腦的計(jì)算能力。更重要的是，它完全擺脫了對(duì)國外技術(shù)體系的依賴，就像為超算安裝了“中國心”。2體系架構(gòu)：超算的“神經(jīng)系統(tǒng)”——從“模仿”到“創(chuàng)新”如果說芯片是“腦細(xì)胞”，體系架構(gòu)就是“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，決定了如何讓海量芯片高效協(xié)作。傳統(tǒng)超算多采用“CPU+GPU”的異構(gòu)架構(gòu)，但中國科學(xué)家另辟蹊徑，研發(fā)出“片上網(wǎng)絡(luò)”（NoC）技術(shù)。以“神威太湖之光”為例，其體系架構(gòu)將每個(gè)“申威26010”芯片內(nèi)的260個(gè)核心通過高速網(wǎng)絡(luò)連接，芯片間再通過自主研發(fā)的“高速互聯(lián)系統(tǒng)”通信，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)每秒120Gb（相當(dāng)于每秒傳輸15部高清電影）。這種設(shè)計(jì)讓1000多萬個(gè)核心像“訓(xùn)練有素的合唱團(tuán)”，同步完成復(fù)雜計(jì)算，避免了“部分核心閑置、部分過載”的低效問題。3軟件生態(tài)：超算的“靈魂”——從“能用”到“好用”有了硬件，還需要“軟件”讓超算真正“干活”。早期中國超算依賴國外編譯工具和計(jì)算軟件，就像“開進(jìn)口車卻沒有中文導(dǎo)航”。近年來，我國自主研發(fā)了“神威睿思”操作系統(tǒng)、“海派”編譯器等關(guān)鍵軟件，更針對(duì)氣象、能源、生物等領(lǐng)域開發(fā)了專用計(jì)算框架。我曾參與過一個(gè)生物制藥的超算項(xiàng)目：科研人員用超算模擬新冠病毒刺突蛋白與人體ACE2受體的結(jié)合過程，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要數(shù)月，超算僅用3天就完成了百萬次分子動(dòng)力學(xué)模擬，為疫苗設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)——這背后，正是國產(chǎn)軟件對(duì)復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的高效支持。04超算“落地生根”：它如何改變我們的生活？超算“落地生根”：它如何改變我們的生活？超級(jí)計(jì)算機(jī)不是“鎖在實(shí)驗(yàn)室的寶貝”，它正以“潤物細(xì)無聲”的方式，滲透到我們生活的方方面面。1守護(hù)生命：從疾病防治到災(zāi)害預(yù)警新藥研發(fā)：超算能模擬藥物分子與病變細(xì)胞的相互作用，快速篩選有效成分。2020年新冠疫情期間，“神威太湖之光”僅用72小時(shí)就完成了3000萬種潛在藥物分子的篩選，為瑞德西韋等藥物的臨床驗(yàn)證提供了關(guān)鍵依據(jù)；氣象預(yù)測(cè)：超算能處理全球百萬個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)誤差從50公里縮小到10公里，暴雨預(yù)警時(shí)間從3小時(shí)延長到12小時(shí)；地震模擬：通過超算模擬地殼運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家能更精準(zhǔn)地評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)，為建筑抗震設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。2賦能產(chǎn)業(yè)：從“制造”到“智造”21汽車工業(yè)：傳統(tǒng)汽車碰撞測(cè)試需制造數(shù)十輛原型車，耗時(shí)數(shù)年；超算可模擬數(shù)千次碰撞場(chǎng)景，將研發(fā)周期縮短60%，成本降低40%；新能源：超算能模擬太陽能電池材料的電子躍遷過程，幫助科學(xué)家開發(fā)出效率更高的光伏材料。航空航天：C919大飛機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，超算完成了10萬次空氣動(dòng)力學(xué)模擬，優(yōu)化了機(jī)翼形狀，使油耗降低15%；33探索未知：從微觀世界到宇宙星辰基因研究：超算能快速分析人類全基因組序列（約30億個(gè)堿基對(duì)），助力精準(zhǔn)醫(yī)療；宇宙模擬：通過超算模擬星系演化，科學(xué)家能更清晰地理解黑洞形成、暗物質(zhì)分布等宇宙奧秘；材料科學(xué)：超算可預(yù)測(cè)新型材料（如高溫超導(dǎo)材料、輕質(zhì)合金）的性能，避免“試錯(cuò)式”實(shí)驗(yàn)的巨大成本。去年，我?guī)W(xué)生參觀某超算中心時(shí)，一位工程師展示了一個(gè)有趣的應(yīng)用：用超算優(yōu)化城市交通信號(hào)燈。通過模擬全市車輛流動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將某城市的早高峰擁堵時(shí)間縮短了23%——孩子們興奮地喊：“原來超算還能幫我們少堵在路上！”05總結(jié)：中國超算的“精神密碼”與“未來召喚”總結(jié)：中國超算的“精神密碼”與“未來召喚”回顧中國超算的研發(fā)歷程，我們看到的不僅是技術(shù)指標(biāo)的攀升，更是“自主創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)奮斗”的精神傳承：從“銀河”團(tuán)隊(duì)在鐵皮棚里啃饅頭寫代碼，到“神威”團(tuán)隊(duì)為調(diào)試芯片連續(xù)72小時(shí)守在機(jī)房；從科學(xué)家們“十年坐冷板凳”的堅(jiān)持，到工程師們“把每根導(dǎo)線都當(dāng)成藝術(shù)品”的嚴(yán)謹(jǐn)——這，就是中國超算的“精神密碼”。同學(xué)們，超級(jí)計(jì)算機(jī)的故事還在繼續(xù)。2025年，我