什麼是超級電腦？

超級電腦一詞是指比標準電腦更高效能的電腦。通常，這表示超級電腦的架構、資源和元件使其功能極為強大，使它們能夠以電腦的最高運行速率或接近最高運行速率運行。 

超級電腦包含一般電腦的大部分關鍵元件，包括至少一個處理器、周邊裝置、連接器、作業系統和各種應用程式。超級電腦與標準電腦的主要差別在於其處理能力。

傳統上，超級電腦是單一、超高速的機器，主要供企業企業和科學組織使用，需要龐大的運算能力才能進行超高速運算。然而，現今的超級電腦可以包含數萬個處理器，每秒可以執行數十億甚至數兆的計算。

如今，超級電腦的常見應用包括天氣預報、核反應堆操作控制，以及加密。隨著超級運算的成本下降，現代超級電腦也被用於市場研究、線上遊戲，以及虛擬和擴增實境應用程式。

超級電腦的簡史

1964 年，Seymour Cray 和其 Control Data Corporation（CDC）的工程師團隊創造了第一台超級電腦 CDC 6600。當時，CDC 6600 比一般電腦快 10 倍，比次快 3 倍，也就是 IBM 7030 Stretch，以每秒高達 3 兆次浮點運算（FLOPS）的速度進行計算。雖然現在的標準速度慢了，但從那時起，它的速度就足以稱為超級電腦。 

被稱為“超級運算之父”的 Seymour Cray 及其團隊領導超級運算產業，於 1969 年發布 CDC 7600（160 兆次浮點運算）、1982 年發布 Cray X-MP（800 兆次浮點運算），並於 1985 年發布 Cray 2（1.9 兆次浮點運算）。

隨後，其他公司希望讓超級電腦更經濟實惠，並開發大規模平行處理（MPP）。1992 年，NASA 的承包商 Don Becker 和 Thomas Sterling 共同打造了 Beowulf，這部超級電腦由一組電腦單位所組成。這是第一台使用叢集模型的超級電腦

現今的超級電腦使用中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU），共同執行計算。TOP500 列出日本神戶 RIKEN 運算科學中心的 Fugaku 超級電腦，是全球速度最快的超級電腦，處理速度高達 442 petaFLOPS。

超級電腦與一般電腦

現今的超級電腦整合了運算能力，可提供比單一桌面或伺服器更高的效能，以解決工程、科學和業務上的複雜問題。

與一般個人電腦不同，現代超級電腦是由龐大的伺服器叢集所組成，其中一個或多個 CPU 被歸為運算節點。運算節點由處理器（或一組處理器）和記憶體區塊組成，可包含數萬個節點。這些節點相互連結，以溝通和合作完成特定任務，同時流程在數千個處理器之間分配或同時執行。 

如何衡量超級電腦的效能

FLOPS 用於測量超級電腦的效能，以及使用浮點計算的科學運算，即數字過大時必須以指數表示。

FLOPS 是比每秒一百萬指令（MIPS）更準確的測量。如前所述，現今最快速的超級電腦可以執行超過一百四倍的 FLOPS（petaFLOPS）。

超級電腦如何運作？

超級電腦可以包含數千個節點，這些節點使用並行處理來彼此溝通，以解決問題。但實際上有兩種平行處理方法：對稱式多處理（SMP）和大規模平行處理（MPP）。 

在 SMP 中，處理器共享記憶體和 /O 匯流排或資料路徑。SMP 也稱為緊密結合的多工處理，或稱為“共享所有系統”。

MPP 協調多個處理器處理程式，同時處理程式的不同部分。每個處理器都使用自己的作業系統和記憶體。MPP 處理器使用訊息傳送介面進行通訊，讓訊息能在處理器之間傳送。MPP 可能很複雜，需要了解如何分割通用資料庫，並在處理器間分配工作。MPP 系統稱為“鬆散耦合”或“不共享”系統。

SMP 的好處之一是它能讓組織透過動態平衡電腦之間的工作負載，來更快速地為更多使用者提供服務。SMP 系統被認為比 MPP 系統更適合線上交易處理（OTP），許多使用者都在存取相同的資料庫（例如，簡單的交易處理）。MPP 比 SMP 更適合需要並行搜尋多個資料庫的應用程式（例如決策支援系統和資料倉儲應用程式）。

超級電腦的類型

超級電腦分為兩類：一般用途和特殊用途。在這些類別中，通用超級電腦可分為三個子類別：

通用超級電腦

• 向量處理電腦：在科學運算中常見的是，80 和 90 年代初期的大多數超級電腦都是向量電腦。現今這些電腦並不那麼受歡迎，但現今的超級電腦仍擁有使用部分向量處理的 CPU。
• 緊密連接的叢集電腦：這些是一組連接的電腦，它們可以共同運作，包括大規模並行叢集、基於目錄的叢集、雙節點叢集和多節點叢集。並行叢集和以導演為基礎的叢集通常用於高效能處理，而雙節點和多節點叢集則用於容錯。
• 商品電腦：其中包括透過高頻寬、低延遲區域網路（LAN）連接的許多標準個人電腦（PC）的配置。

特殊用途超級電腦 

特殊用途超級電腦是為達成特定任務或目標而打造的超級電腦。他們通常使用特定應用程式的積體電路（ASIC）來提高效能（例如，Deep Blue 和 Hydra 都是為了像西洋棋一樣的遊戲而打造）。 

超級電腦使用案例

有鑑於這些顯而易見的優勢，超級電腦在工程和科學研究等領域已找到廣泛的應用程式。使用案例包括：

• 天氣和氣候研究：預測極端天氣事件的影響，並了解氣候模式，例如國家海洋大氣管理局（NOAA）系統
• 石油與天然氣探勘：收集大量地質地震資料，以協助尋找和開發石油儲備
• 航空公司與汽車產業：設計飛行模擬器和模擬汽車環境，並應用空氣動力學來達到最低的空氣阻力係數
• 核融合研究：建造核融合反應堆和虛擬環境，以測試核子爆炸和武器彈道
• 醫學研究：開發新的藥物、癌症療法和罕見的遺傳疾病，以及 COVID-19 的治療，並研究流行病和疾病的產生和發展
• 即時應用程式：許多使用者在比賽和新遊戲發行期間維持線上遊戲效能

超級運算與 HPC

超級運算有時與高效能運算（HPC）同義。然而，要說超級運算是一種 HPC 解決方案，指的是處理超級電腦使用的複雜和大型計算。

HPC 可讓您同步多個網路超級電腦的資料密集型運算。因此，使用較大資料集進行複雜計算的時間遠低於一般電腦。 

適用於超級運算的可擴充儲存裝置

現今的超級電腦正被運用在各種領域，用於各種用途。一些世界頂尖的技術公司正在開發 AI 超級電腦，以預測他們在快速擴展的 Metaverse 中可能扮演的角色。

因此，儲存解決方案不僅需要支援以極高的運算速度快速擷取資料，而且還必須具備足夠的擴充能力，才能處理高效能的大規模 AI 工作負載需求。

虛擬和擴增實境技術需要大量資料。5G、機器學習（ML）、物聯網（IoT）和神經網路等支援技術也一樣。

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