计算服务器：开启科学计算新变革的强大引擎

1983 年，著名数学家 Lax 为首的调研小组指出，大型科学计算对国家安全、科技进步与经济发展至关重要，从美国国家利益出发，大型计算的绝对优势不容动摇。

科学计算是什么？为何在 20 世纪 80 年代就被提升到美国国家利益层面？科学计算是利用计算机再现、预测和发现客观世界运动规律和演化特性的过程，包括建立物理模型、研究计算方法等。科学计算的兴起被认为是 20 世纪最重要的科学进步之一，肯尼斯・威尔逊教授早在上世纪 80 年代就指出，计算是与理论和实验并列的三大科学方法之一。科学计算在 20 世纪 80 年代被提升到国家层面，是因为它突破了传统实验和理论研究的界限，在生命科学、医学等学科中作用关键，成为众多关键行业的核心技术支撑。同时，在很多情况下，直接实验不可行、不切实际或成本高昂，科学计算填补了这些空白。

目前，计算服务器在科学计算发展中面临瓶颈。对于科学计算来说，高性能计算服务器是重要硬件基础。随着科学计算所要解决的问题日益复杂且更接近真实模型，所需的计算资源庞大到普通计算机无法承担，此时高性能计算服务器的作用愈发凸显。计算服务器拥有强大的运算速度、巨大的存储容量和极高的通信带宽，能够满足科学计算对大规模数据处理和复杂计算任务的需求。

然而，现有的大规模并行计算程序在计算服务器上的效率低下，实际计算性能通常在理论峰值性能的 10% 以下。提高程序计算效率难度大、成本高且周期长，这成为制约科学计算发展的重要因素。同时，科学计算对计算服务器的需求不断增长，现有的计算架构在处理大规模并行运算和高带宽数据传输方面的局限愈发突出。

近年来，3D 科学计算理念兴起，为解决科学计算场景的效率瓶颈难题带来巨大潜力。科学计算中很多问题是对真实世界的模拟仿真，传统二维计算架构在处理三维空间问题时会产生大量额外通信工作量。而 3D 科学计算按照真实世界的三维模型还原计算集群中节点的连接方式，能降低计算复杂度。例如，在构建甲烷分子运动模型时，三维连接方式比二维连接方式效率提升 20%，对于更复杂的乙烷分子，性能优化提升幅度达 42%。在处理真实世界的复杂蛋白质大分子问题时，3D 科学计算架构具有绝对优势。

3D 科学计算带来了计算架构领域的革新，不仅提升了硬件效能，还提高了通信效率与算法效率。但实现 3D 科学计算并非易事，芯片节点连接方式的颠覆要求从芯片设计到适配软件都需重新开发定义。目前实现 3D 科学计算的计算系统常采用专门定制的 ASIC 专用芯片，虽在特定领域性能远超最强超算百倍以上，但缺乏通用性。

3D 科学计算理念的兴起标志着科学计算在各个细分领域加速变革机遇的到来，将为解决全球重大科技挑战提供更强大的支撑。同时，计算服务器也将在 3D 科学计算的推动下不断发展和创新，为科学计算提供更强大的硬件支持。