“百億億次”聽起來像是一個科幻術語，但它有一個簡單且非常非虛構的定義：人腦大約每秒可以執行一次簡單的數學運算，而百億億次計算機可以在說“One Mississippi”的時間內至少進行百億億次計算。
2022 年，世界首臺宣佈的百億億次計算機 Frontier 在橡樹嶺國家實驗室上線——它的速度是世界排名第二的計算機的 2.5 倍。不過，它很快將迎來更好的競爭對手（或同行），例如勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 El Capitan 和阿貢國家實驗室的 Aurora 等即將問世的百億億次級機器。
所有這些機器都位於名稱以“國家實驗室”結尾的機構中，這絕非巧合。這些新計算機是能源部及其國家核安全管理局 (NNSA) 的專案。能源部負責監管這些實驗室以及遍佈全國的其他實驗室網路。NNSA 的任務是負責監督核武器儲備，百億億次計算的部分存在理由是執行有助於維護該武器庫的計算。但超級計算機的存在也是為了解決純科學中棘手的問題。
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當科學家完成 Frontier 的除錯後，它將專門用於此類基礎研究，他們希望闡明各個領域的核心真理——例如瞭解能量是如何產生的、元素是如何製造的以及宇宙的黑暗部分是如何促進其演化的——所有這些都通過幾乎真實的模擬來實現，即使是幾年前那些不容小覷的超級計算機也無法實現。
橡樹嶺計算和計算科學副實驗室主任道格拉斯·科特說：“原則上，社群本可以更早地開發和部署百億億次超級計算機，但按照我們的標準，它將是不可用、無用且負擔不起的。”大規模並行處理、百億億次能源消耗、可靠性、記憶體和儲存等障礙，以及缺乏在這種超級計算機上啟動執行的軟體，都阻礙了這些標準的實現。與高效能計算行業多年的專注合作降低了這些障礙，最終滿足了科學家的需求。
Frontier 的處理速度比其前代產品快七倍，記憶體容量是其前代產品的四倍。它由近 10,000 個 CPU 或中央處理器（為計算機執行指令，通常由積體電路製成）和近 38,000 個 GPU 或圖形處理器組成。GPU 的建立是為了快速流暢地顯示遊戲中的視覺內容。但它們已被重新用於科學計算，部分原因是它們擅長並行處理資訊。
在 Frontier 內部，這兩種處理器是連結在一起的。GPU 並行執行重複的代數運算。“這使 CPU 可以更快、更高效地指導任務，”科特說。“你可以說這是超級計算領域的天作之合。”透過將科學問題分解成十億或更多個小塊，Frontier 使其處理器能夠各自處理問題的一小部分。然後，科特說，“它將結果重新組合成最終答案。你可以將每個 CPU 比作工廠的車間主管，將 GPU 比作生產線上的工人。”
超級計算機中 9,472 個不同的節點（每個節點本質上都是一臺不太超級的計算機）也以這樣一種方式連線，它們可以快速地將資訊從一個地方傳遞到另一個地方。但重要的是，Frontier 不僅比以前的機器執行速度更快：它還擁有更多的記憶體，因此可以執行更大的模擬，並將大量資訊儲存在處理這些資料的同一位置。這就像在您嘗試進行數字填色專案時將所有丙烯酸顏料都放在您身邊，而不是必須從桌子的另一側取回每種顏色。
憑藉這種強大的功能，Frontier 以及隨後的巨獸可以教會人類一些以前可能不透明的世界知識。在氣象學中，它可以使颶風預報不再那麼模糊和令人沮喪。在化學領域，它可以試驗不同的分子結構，看看哪些可能成為優秀的超導體或藥物化合物。在醫學領域，它已經分析了 SARS-CoV-2（導致 COVID 的病毒）的所有基因突變——將計算時間從一週縮短到一天——以瞭解這些調整如何影響病毒的傳染性。節省的時間使科學家能夠進行超快速迭代，快速連續地改變他們的想法並進行新的數字實驗。
科特說，有了這種計算能力，科學家們不必像以前那樣進行相同的近似。使用舊計算機，他經常不得不說，“我假設這個項無關緊要，那個項無關緊要。也許我不需要那個方程。”用物理學術語來說，這叫做製造“球形奶牛”：將複雜的現象（如牛）變成高度簡化的東西（如球）。藉助百億億次計算機，科學家們希望避免偷工減料，並將奶牛模擬成，嗯，本質上是一頭奶牛：一種更接近現實表現的東西。
Frontier 升級後的硬體是實現這種改進的主要因素。但如果科學家沒有能夠利用該機器新功能的軟體，那麼僅靠硬體對科學家沒有太大好處。這就是為什麼一個名為百億億次計算專案 (ECP) 的倡議——它彙集了能源部及其國家核安全管理局以及行業合作伙伴——在超級計算機開發的同時贊助了 24 個初始科學編碼專案。
這些軟體計劃不能只是採用舊程式碼——旨在模擬，例如，突發惡劣天氣的出現——將其放到 Frontier 上，然後說，“它以閃電般的速度而不是幾乎閃電般的速度做出了還可以的預測！”為了獲得更準確的結果，他們需要一套經過增強和最佳化的程式碼。“我們不會在這裡作弊，更快地獲得同樣不太好的答案，”科特說，他也是 ECP 的主任。
但獲得更好的答案並非易事，早期科學專案 ExaSky 的負責人薩爾曼·哈比卜說。“超級計算機本質上是蠻力工具，”他說。“所以你必須以智慧的方式使用它們。這就是樂趣所在，你撓頭思考，‘我怎樣才能真正使用這個可能很鈍的工具來做我真正想做的事情？’”阿貢計算科學部門主任哈比卜希望探索宇宙的神秘構成以及宇宙結構的形成和演化。模擬模擬了暗物質和暗能量的影響，幷包括了研究宇宙在大爆炸後如何膨脹的初始條件。
大規模天文調查——例如亞利桑那州的暗能量光譜儀——幫助闡明瞭宇宙中那些陰暗的角落，展示了星系如何在宇宙膨脹時形成、塑造和擴散自身。但是，僅靠這些望遠鏡的資料無法解釋他們所看到的原因。
不過，像 ExaSky 這樣的理論和建模方法或許可以做到這一點。如果理論家懷疑暗能量表現出某種行為，或者我們對引力的概念有誤，他們可以調整模擬以包含這些概念。然後它將吐出一個數字宇宙，天文學家可以看到它與他們的望遠鏡感測器接收到的資訊相匹配或不匹配的方式。“計算機的作用是成為理論家和建模者的虛擬宇宙，”哈比卜說。
ExaSky 擴充套件了為較小的超級計算機編寫的演算法和軟體，但模擬尚未導致關於宇宙黑暗成分性質的巨大突破。科學家迄今為止所做的工作提供了“能夠建模但又無法真正理解它的有趣組合”，哈比卜說。不過，藉助百億億次計算機，天文學家哈比卜可以模擬更大體積的空間，使用更像奶牛的物理學，並具有更高的清晰度。或許，理解正在路上。
另一個早期的 Frontier 專案名為 ExaStar，由勞倫斯伯克利國家實驗室的丹尼爾·卡森領導，將研究另一個宇宙謎團。這項工作將模擬超新星——大質量恆星的生命終結爆炸，它們在其極端條件下產生重元素。科學家們對超新星的發生過程有一個大致的瞭解，但沒有人真正知道這些爆炸的完整版奶牛版本，也不知道重元素是如何在其中產生的。
在過去，大多數超新星模擬都透過假設恆星是球形對稱的或使用簡化的物理學來簡化情況。藉助百億億次計算機，科學家可以製作更詳細的三維模型。他們不僅可以執行一次爆炸的程式碼，還可以執行整套程式碼，包括不同型別的恆星和不同的物理學思想，探索哪些引數會產生天文學家在天空中實際看到的情況。
卡森說：“超新星和恆星爆炸本身就是迷人的事件。”“但它們也是宇宙故事中的關鍵角色。”它們提供了構成地球和我們的元素——以及向外看的望遠鏡。儘管它們的極端反應無法完全在物理實驗中複製，但數字試驗既有可能且破壞性較小。
第三個早期專案正在檢查更貼近我們家園的現象：核反應堆及其反應。ExaSMR 專案將使用百億億次計算來弄清楚“小型模組化反應堆”（一種核電支持者希望變得更常見的設施型別）遮蔽層下方發生了什麼。在早期，超級計算機一次只能模擬反應堆的一個元件。後來，他們可以模擬整臺機器，但只能模擬某個時間點——例如，準確瞭解它何時首次啟動。“現在我們正在模擬反應堆從啟動到整個燃料迴圈過程中的演變，”橡樹嶺的史蒂文·漢密爾頓說，他是該專案的共同負責人。
漢密爾頓的團隊將研究中子如何在核裂變鏈式反應中移動和影響，以及裂變產生的熱量如何在系統中移動。以前根本不可能弄清楚熱量如何以空間和時間細節流動，因為計算機沒有足夠的記憶體一次性完成整個模擬的數學運算。“我們接下來的重點是研究更廣泛的反應堆設計”，以提高其效率和安全性，漢密爾頓說。
當然，核能一直是核反應的另一種用途：武器的另一面。在勞倫斯利弗莫爾，特蕾莎·貝利領導著一個由 150 人組成的團隊，他們中的許多人正忙於準備模擬武器的程式碼，以便在 El Capitan 上執行。貝利是勞倫斯利弗莫爾計算物理學副專案主任，她負責監督高階模擬和計算專案的部分工作——國家安全方面的工作。來自 NNSA 實驗室的團隊——在 ECP 和更側重於武器的先進技術開發和緩解計劃的支援下——致力於 R&D，以幫助武器程式碼現代化。
詢問任何科學家 Frontier、El Capitan 和 Aurora 等計算機是否終於足夠好，你永遠不會得到肯定的回答。研究人員總是希望獲得更多更好的分析能力。並且存在外部壓力來不斷推進計算技術：不僅僅是為了吹噓的權利（儘管這些權利很酷），而是因為更好的模擬可能會帶來新的藥物發現、新的先進材料或新的諾貝爾獎，從而使國家保持領先地位。
所有這些因素都讓科學家們開始談論“後百億億次”的未來——在他們每秒可以解決百億億次數學問題之後會發生什麼。未來可能涉及量子計算機或使用更多人工智慧來增強百億億次系統。或者可能是完全不同的東西。事實上，也許應該有人執行模擬來預測最有可能的結果或最有效的前進道路。