2025 小学五年级科学上册中国超级计算机的研发成就课件

一、从“超级大脑”到“国之重器”：认识超级计算机演讲人01从“超级大脑”到“国之重器”：认识超级计算机02从“跟跑”到“领跑”：中国超级计算机的成长之路03突破“卡脖子”：中国超算的核心技术密码04超算“落地生根”：它如何改变我们的生活？05总结：中国超算的“精神密码”与“未来召唤”目录2025小学五年级科学上册中国超级计算机的研发成就课件作为一名长期从事高性能计算教育普及的工作者，我始终记得第一次带五年级学生参观国家超级计算中心时的场景——当孩子们看到“神威太湖之光”那占地千余平方米的银色机柜，听到“每秒12.54亿亿次运算”的数字时，眼睛里闪烁的好奇与惊叹，让我深切意识到：向青少年讲好中国超算故事，不仅是传递科技知识，更是播种“科技自立自强”的种子。今天，我们就以“中国超级计算机的研发成就”为主题，从“认识超算”“中国超算的成长之路”“核心技术突破”“超算如何改变我们的生活”四个维度，共同探索这一“国之重器”的魅力。01从“超级大脑”到“国之重器”：认识超级计算机1什么是超级计算机？它和我们的电脑有何不同？同学们每天使用的电脑，主要功能是处理文档、播放视频、运行小游戏，它们的核心是中央处理器（CPU），就像一个“小管家”，同时处理几项任务。而超级计算机，是由成百上千甚至数万个这样的“小管家”（计算芯片）组成的“超级团队”，通过特殊的“协作规则”（体系架构），能在极短时间内完成海量数据的计算。举个简单的例子：如果用普通电脑计算全球70亿人口的DNA序列（这是现代生物研究的基础），可能需要几万年；而超级计算机只需几分钟甚至几秒钟。它的本质是“人类扩展自身计算能力的工具”，被称为“现代科学研究的发动机”。2超级计算机为什么重要？——国家科技竞争力的“标尺”在国际科技竞争中，超级计算机的研发水平被视为衡量一个国家综合科技实力的核心指标之一。这是因为：科学探索的“加速器”：从预测台风路径、模拟核反应，到研究宇宙大爆炸、寻找新型材料，许多前沿科学问题都需要超算的“计算实验”来替代或补充传统实验室实验；产业升级的“催化剂”：汽车碰撞测试、飞机气动设计、新药分子筛选……工业领域的复杂计算需求，超算能将研发周期从数年缩短至数月；国家安全的“护盾”：气象预警、能源调度、网络安全等关系国计民生的关键领域，都依赖超算的实时高效计算。我曾参与过一次气象超算的科普活动，工作人员告诉我：2023年台风“杜苏芮”登陆前，超算仅用2小时就完成了百万节点的气象模型计算，精准预测了登陆点，为沿海地区转移群众争取了72小时的黄金时间——这就是超算的“生命价值”。02从“跟跑”到“领跑”：中国超级计算机的成长之路从“跟跑”到“领跑”：中国超级计算机的成长之路中国超算的研发史，是一部“从零起步、自主创新”的奋斗史。让我们沿着时间轴，感受这份“中国速度”。2.1起步阶段（1980-2000年）：从“空白”到“突破”新中国成立初期，我国连一台自主研发的通用电子计算机都没有。1978年，邓小平同志提出“中国要搞自己的超级计算机”，一场“超算突围战”正式打响。1983年，“银河-Ⅰ”巨型计算机诞生，运算速度达每秒1亿次，这是我国首台每秒亿次级超算，让中国成为继美国、日本后第三个能独立研制超算的国家。但当时的“银河”还依赖进口芯片，就像“用别人的零件组装快车”，核心技术受制于人。从“跟跑”到“领跑”：中国超级计算机的成长之路2.2追赶阶段（2000-2010年）：从“组装”到“自研”进入21世纪，国家启动“863计划”“核高基专项”等重大科技项目，明确“核心技术必须自主可控”。2008年，“曙光5000A”问世，运算速度突破每秒230万亿次，首次采用国产“龙芯”芯片；2010年，“天河一号”横空出世，以每秒2570万亿次的速度登顶全球超算TOP500榜单，这是中国超算首次获得世界第一——但此时的“天河一号”仍部分使用国外芯片，就像“有了自己的车身，却还在用进口发动机”。3领跑阶段（2010年至今）：从“并跑”到“超越”2016年，“神威太湖之光”超级计算机震撼亮相：它完全采用国产“申威26010”芯片，运算速度达每秒12.54亿亿次，不仅连续4次蝉联全球超算TOP500榜首，更实现了从芯片到操作系统的“全链条自主可控”。2021年，“九章”量子计算原型机问世，在高斯玻色采样问题上的计算速度比全球最快的超级计算机快100万亿倍，标志着我国在量子计算领域实现“量子优越性”；2023年，“天河三号”E级超算原型机完成部署，运算速度突破每秒百亿亿次（10^18次），为人工智能、基因测序等前沿领域提供了“超级引擎”。我至今记得“神威太湖之光”总设计师在讲座中说的话：“当我们把最后一块国产芯片装入机柜时，整个团队抱头痛哭——这不仅是一台机器的成功，更是中国人在‘计算疆域’里的一次‘主权宣示’。”03突破“卡脖子”：中国超算的核心技术密码突破“卡脖子”：中国超算的核心技术密码超级计算机不是简单的“芯片堆砌”，它的研发涉及芯片设计、体系架构、软件生态等多个“硬核技术”。中国超算能走到世界前列，靠的是在这些关键领域的“十年磨一剑”。1芯片：超算的“心脏”——从“依赖进口”到“自主可控”芯片是超算的核心部件，相当于“计算力的最小单元”。早期中国超算因缺乏自主芯片，曾面临“断供”风险。2015年，美国对中国禁售高性能超算芯片，反而加速了国产芯片的研发进程。“申威26010”芯片是其中的典型代表：它采用国产自主指令集，单芯片集成260个运算核心（普通电脑CPU通常只有8-16个核心），功耗仅100瓦，却能提供相当于30台普通电脑的计算能力。更重要的是，它完全摆脱了对国外技术体系的依赖，就像为超算安装了“中国心”。2体系架构：超算的“神经系统”——从“模仿”到“创新”如果说芯片是“脑细胞”，体系架构就是“神经网络”，决定了如何让海量芯片高效协作。传统超算多采用“CPU+GPU”的异构架构，但中国科学家另辟蹊径，研发出“片上网络”（NoC）技术。以“神威太湖之光”为例，其体系架构将每个“申威26010”芯片内的260个核心通过高速网络连接，芯片间再通过自主研发的“高速互联系统”通信，数据传输速度达每秒120Gb（相当于每秒传输15部高清电影）。这种设计让1000多万个核心像“训练有素的合唱团”，同步完成复杂计算，避免了“部分核心闲置、部分过载”的低效问题。3软件生态：超算的“灵魂”——从“能用”到“好用”有了硬件，还需要“软件”让超算真正“干活”。早期中国超算依赖国外编译工具和计算软件，就像“开进口车却没有中文导航”。近年来，我国自主研发了“神威睿思”操作系统、“海派”编译器等关键软件，更针对气象、能源、生物等领域开发了专用计算框架。我曾参与过一个生物制药的超算项目：科研人员用超算模拟新冠病毒刺突蛋白与人体ACE2受体的结合过程，传统实验需要数月，超算仅用3天就完成了百万次分子动力学模拟，为疫苗设计提供了关键数据——这背后，正是国产软件对复杂计算任务的高效支持。04超算“落地生根”：它如何改变我们的生活？超算“落地生根”：它如何改变我们的生活？超级计算机不是“锁在实验室的宝贝”，它正以“润物细无声”的方式，渗透到我们生活的方方面面。1守护生命：从疾病防治到灾害预警新药研发：超算能模拟药物分子与病变细胞的相互作用，快速筛选有效成分。2020年新冠疫情期间，“神威太湖之光”仅用72小时就完成了3000万种潜在药物分子的筛选，为瑞德西韦等药物的临床验证提供了关键依据；气象预测：超算能处理全球百万个气象观测点的数据，将台风路径预测误差从50公里缩小到10公里，暴雨预警时间从3小时延长到12小时；地震模拟：通过超算模拟地壳运动，科学家能更精准地评估地震风险，为建筑抗震设计提供数据支持。2赋能产业：从“制造”到“智造”21汽车工业：传统汽车碰撞测试需制造数十辆原型车，耗时数年；超算可模拟数千次碰撞场景，将研发周期缩短60%，成本降低40%；新能源：超算能模拟太阳能电池材料的电子跃迁过程，帮助科学家开发出效率更高的光伏材料。航空航天：C919大飞机的气动设计中，超算完成了10万次空气动力学模拟，优化了机翼形状，使油耗降低15%；33探索未知：从微观世界到宇宙星辰基因研究：超算能快速分析人类全基因组序列（约30亿个碱基对），助力精准医疗；宇宙模拟：通过超算模拟星系演化，科学家能更清晰地理解黑洞形成、暗物质分布等宇宙奥秘；材料科学：超算可预测新型材料（如高温超导材料、轻质合金）的性能，避免“试错式”实验的巨大成本。去年，我带学生参观某超算中心时，一位工程师展示了一个有趣的应用：用超算优化城市交通信号灯。通过模拟全市车辆流动数据，系统将某城市的早高峰拥堵时间缩短了23%——孩子们兴奋地喊：“原来超算还能帮我们少堵在路上！”05总结：中国超算的“精神密码”与“未来召唤”总结：中国超算的“精神密码”与“未来召唤”回顾中国超算的研发历程，我们看到的不仅是技术指标的攀升，更是“自主创新、团结奋斗”的精神传承：从“银河”团队在铁皮棚里啃馒头写代码，到“神威”团队为调试芯片连续72小时守在机房；从科学家们“十年坐冷板凳”的坚持，到工程师们“把每根导线都当成艺术品”的严谨——这，就是中国超算的“精神密码”。同学们，超级计算机的故事还在继续。2025年，我