艾级超级计算机发展的前景与挑战
自1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机以来，突出表现一国科技实力的超级计算机，堪称集万千宠爱于一身的高科技宠儿，在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核业、军事、航天等高科技领域大展身手，让各国科技精英竞折腰，目前，各国都在着手研发亿亿级超级计算机。
2008年，随着美国的走鹃（Roadrunner）和美洲豹（Jaguar）超级计算机的峰值和Linpack性能双双突破千万亿次（Petaflops）大关，人类终于突破这一看似不可逾越的速度障碍，进入千万亿次计算时代。为了取得这一历史性的突破，美国在千万亿次应用尚不明朗的情况下，于1994年就提前进行了部署和研讨，启动了HTMT（Hybrid Technology，Multi-Threaded）和HPCS（High Productivity Computing Systems）等一系列科研计划，瞄准这一目标开展研究，花费了近15年的时间，才实现这一目标。如今，在突破千万亿次计算之后，世界各国的目光都转向超级计算机速度的下一个皇冠——Exascale（艾级，百亿亿次，即1018）超级计算机。
根据美国的研究线路图，大约会在2018年左右完成艾级超级计算机的部署。最新的研究表明，艾级超级计算机的研制主要面临四大挑战：（1）能耗挑战；（2）存储挑战；（3）并发和局部性挑战；（4）可靠性挑战。为应对上述挑战，美国提出了四项应对措施：（1）艾级硬件技术和体系架构的联合开发和
优化；（2）艾级体系结构和编程模型的联合开发和优化；（3）艾级算法、应用、工具和运行时的联合开发；（4）艾级系统容错体系结构的深入研究。并将研制周期分为三个阶段：系统体系结构探索阶段、技术演示阶段和可扩展的原型切片阶段。
运算速度达每秒千万亿次级超级计算机是一种目前比较先进的尖端科技，通常情况下，它们只会存在于专业领域实验室中。然而，据国外媒体报道，美国印第安纳大学日前（2013年4月29日）获得了世界上第一台千万亿次级别“大学专用资源”超级计算机。首次将该级别超级计算机运用于民用领域，帮助学生和工作人员研究各个学科。据了解，这台超级计算机名为大红二代（Big Red II），每秒可处理 1 千万亿次浮点运算，在世界超级计算机排名中位于第 25 名。而硬件配置上，它采用了 344 颗 AMD Abu Dhabi 16 核处理器，拥有 21824 个处理核心，内置了 43648 GB RAM，配 备 180TB 本地储存。另外，大红二代使用 GPU 功能节点和标准的 CPU 计算节点的 Cray XK 网络架构，内置 676 颗 AMD Interlagos 16 核 GPU 和一个 NVIDIA 开普勒 K20，性能非常强悍。据悉，大红二代超级计算机将用于许多大学常见领域，比如医学、物理、天文、全球气候研究、艺术等。
从千万亿次到亿亿次，人类的计算能力再度迈上了一个新的台阶，让我们来回顾一下这个过程：在2008年下半年公布的全球超级计算机Top500榜单中，IBM为美国能源部Los Alamos国家实验室建造的“Roadrunner走鹃”计算机系统运算速度达到了1.026 Pflop/s(千万亿次/秒)，这是首次计算峰值突破千万亿次。随后，这个曾被认为高不可攀的门槛一次次被打破，如今，全球Top500前十套超算系统全部达到千万亿次级别，而中国超算Top100前六套系统均超过了千万亿次。
从2008年到2011年，HPC的计算能力提升十倍，曾经遥不可攀的一个高度，只不过在短短三年内成为现实。我们将目光看的再远一点，1998年，HPC首次突破万亿次，到2008年达到千万亿次，十年间HPC计算能力提高三个数量级。那么，在下一个十年，人类的计算目标是什么？是否能够实现从亿亿次、十亿亿次、到百亿亿次的跨越？百亿亿次，看上去像是不可能完成的任务，不过从HPC进化史来看，一个个不可能都已经成为现实。如今，HPC业界已经将百亿亿次列为下一个奋斗目标，包括英特尔、NVIDIA等芯片厂商，以及诸多服务器系统厂商，也开始了向百亿亿次迈进的脚步。
近年来超级计算机的“竞赛”越来越精彩，中国超算的飞速崛起让发达国家刮目相看。近日据外媒报道，日本文部科学省表示，将从明年开始着手研发一款全新的Exaflops（即每秒一百亿亿次浮点计算）级超级计算机，其运算速度将达到超级计算机“京”的100倍。
2011年11月13日，日本RIKEN高级计算科学研究院(AICS)、富士通联合宣布，超级计算机“京”成功提速，最大计算性能达到了10.51PFlops，也就是每秒钟1.051亿亿次浮点计算，这也是人类首次跨越1亿亿次计算大关。
截止到目前，美国橡树岭国家实验室的“泰坦”排名超级计算机第一，其峰值浮点运算性能超过20PFlops，也就是每秒钟可进行2亿亿次计算。日本文部科学省表示希望通过研发EXA级超级计算机重新夺回榜首。
据悉，这款Exaflops级超级计算机预计将在2020年完成研发。日本超级计算机工作小组表示：“加入EXA级超级计算机的研发有助于促进科学技术发展以及提升产业竞争力”。
