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巨型計算機（巨型機,supercomputer）是一種超大型電子計算機。具有很強的計算和處理數據的能力，主要特點表現為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設備及豐富的、高功能的軟體系統。
巨型計算機實際上是一個巨大的計算機系統，主要用來承擔重大的科學研究、國防尖端技術和國民經濟領域的大型計算課題及數據處理任務。如大範圍天氣預報，整理衛星照片，原子核物的探索，研究洲際飛彈、宇宙飛船等，制定國民經濟的發展計畫，項目繁多，時間性強，要綜合考慮各種各樣的因素，依靠巨型計算機能較順利地完成。
對巨型計算機的指標一些家這樣規定：首先，計算機的運算速度平均每秒1000萬次以上；其次，存貯容量在1000萬位以上。如我國研製成功的"銀河"計算機，就屬於巨型計算機。巨型計算機的發展是電子計算機的一個重要發展方向。它的研製水平標誌著一個國家的科學技術和工業發展的程度，體現著國家經濟發展的實力。一些已開發國家正在投入大量資金和人力、物力，研製運算速度達幾百億次的超級大型計算機。
在一定時期內速度最快、性能最高、體積最大、耗資最多的計算機系統。巨型計算機是一個相對的概念，一個時期內的巨型機到下一時期可能成為一般的計算機；一個時期內的巨型機技術到下一時期可能成為一般的計算機技術。現代的巨型計算機用於核物理研究、核武器設計、航天航空飛行器設計、國民經濟的預測和決策、能源開發、中長期天氣預報、衛星圖像處理、情報分析和各種科學研究方面，是強有力的模擬和計算工具，對國民經濟和國防建設具有特別重要的價值。
據統計,計算機的性能與使用價值的平方成正比,即所謂平方律。按照這一統計規律，計算機性能越高，相對價格越便宜。因此，隨著大型科學工程對計算機性能要求的日益提高，超高性能的巨型計算機將獲得越來越大的經濟效益。
一、巨型計算機的發展概況
50年代中期的巨型機有 UNIVAC公司的LARC機和 IBM公司的 Stretch機。這兩台計算機分別採用了指令先行控制、多個運算單元、存儲交叉訪問、多道程式和分時系統等並行處理技術。60年代的巨型機有CDC6600機和7600機，它們都配置有多台外圍處理機,主機的中央處理器含有多個獨立並行的處理單元。70年代出現了現代巨型計算機，其指令執行速度每秒已達5000萬次以上，或每秒可獲得2000萬個以上的浮點結果。
現代巨型機經歷了三個發展階段。第一階段有美國ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型機。ILLIAC－Ⅳ機是一台採用64個處理單元在統一控制下進行處理的陣列機，後兩台都是採用向量流水處理的 向量計算機 。1976年研製成功的CRAY-1機標誌著現代巨型機進入第二階段。這台計算機設有向量、標量、地址等通用暫存器,有12個運算流水部件,指令控制和數據存取也都流水線化；機器主頻達80兆赫，每秒可獲得8000萬個浮點結果； 主存儲器 容量為100～400萬字(每字64位)，外存儲器容量達10 9 ～10 11 字；主機櫃呈圓柱形，功耗達數百千瓦；採用氟里昂冷卻。圖中為這種機器的邏輯結構。中國的“銀河“億次級巨型計算機（1983年）也是多通用暫存器、全流水線化的巨型機。運算流水部件有18個，採用雙向量陣列結構，主存儲器容量為200～400萬字(每字64位)，並配有磁碟海量存儲器。這些巨型機的系統結構都屬於單指令流多數據流(SIMD)結構。80年代以來，採用多處理機（多指令流多數據流MIMD）結構、多向量陣列結構等技術的第三階段的更高性能巨型機相繼問世。例如，美國的CRAY-XMP、CDCCYBER205,日本的S810/10和20、VP/100和200、S×1和S×2等巨型機，均採用超高速門陣列晶片燒結到多層陶瓷片上的微組裝工藝，主頻高達50～160兆赫以上，最高速度有的可達每秒5～10億個浮點結果,主存儲器容量為400～3200萬字（每字64位），外存儲器容量達10 12 字以上。
還有一類專用性很強的巨型機。例如，美國哥德伊爾宇航公司的巨型並行處理機MPP，由16384個處理器組成128×128的方陣，專用於衛星圖像信息的高速處理,8位整數加的處理速度可達每秒60億次，32位浮點加可達每秒1.6億次。英國ICL公司研製的分散式陣列處理機專用系統DAP，由 4096個一位 微處理器 和一台大型系列機2900組成，最高速度可達每秒1億個64位的浮點結果。
二、巨型計算機的組成
巨型機主機由高速運算部件和大容量快速主存貯器構成。由於巨型機加工數據的吞吐量很大，只有主存是不夠的，一般有半導體快速擴充存貯器和海量（磁碟）存貯子系統來支持。對大規模數據處理系統的用戶，常需大型在線上磁帶子系統或光碟子系統作為大量信息數據進／出的媒介 。巨型機主機一般不直接管理慢速的輸入／輸出（I／O）設備，而是通過I／O接口通道聯結前端機，由前端機做I／O的工作，包括用戶程式和數據的準備、運算結果的列印與繪圖輸出等。前端機一般用小型機。I／O的另一種途徑是通過網路，網上的用戶藉助其端機（微機、工作站、小型大型機）通過網來使用巨型機，I／O均由用戶端機來做。網路方式可大大提高巨型機的利用率。
三、巨型機技術
並行處理是巨型機技術的基礎。為提高系統性能，現代巨型機都在系統結構、硬體、軟體、工藝和電路等方面採取各種支持並行處理的技術。
數據類型 為便於高速並行處理， 中央處理器 的數據類型除傳統的各類標量外，都增加了向量或數組類型。向量或數組運算的實質，是相繼或同時執行一批同樣的運算，而標量運算只處理一個或一對運算元，故向量運算速度一般比標量運算速度快得多。
硬體結構 現代巨型機硬體大多採用流水線、多功能部件、陣列結構或多處理機等各種技術。流水線是把整個部件分成若干段，使眾多數據能重疊地在各段操作，特別適於向量運算，性能-價格比高,套用普遍。多功能部件可以同時進行不同的運算，每個部件內部又常採用流水線技術，既適合向量運算又適合標量運算。中國的“銀河”機和日本的 VP/200、S810/20機進一步將每個向量流水部件或向量處理機加倍，組成雙向量陣列，又把向量運算速度提高了兩倍。美國CYBER－205機的向量處理機可按用戶需要組成一、二或四條陣列式的流水線，技術上又有所發展。多處理機系統以多台處理機並行工作來提高系統的處理能力，各台處理機可以協作完成一個作業，也可以獨立完成各自的作業。每台處理機內部也可採用各種適宜的並行處理技術。在任務的劃分與分配、多處理機之間的同步與通信和 互連網路 的效益等方面，多處理機系統尚存在不少問題有待解決。現代巨型機採用的主要還是雙處理機系統（如CRAY-XMP）和四處理機系統（如HEP）。
向量暫存器 為降低存儲流量和頻頻寬度的要求，並解決短向量運算速度低的問題，第二階段的巨型機採取了向量暫存器技術。CRAY-1機設有8個向量暫存器,所有向量運算指令都面向向量暫存器和其他通用暫存器。為更有力地支持各運算流水部件高度並行地進行各自的向量運算，日本的VP/100和S810等第三階段的巨型機設有龐大的向量暫存器，總容量達64K位元組。
標量運算 標量運算速度對巨型機系統綜合速度的影響極大。為此,除增設標量暫存器、標量後援暫存器或標量 高速緩衝存儲器 以及採用先進的標量控制技術（如先行控制等）外，還可採用專作標量運算的功能部件和標量處理機等技術。例如,CRAY-1機的多功能部件中,有6個專作標量和地址運算，3個兼作標量浮點運算，標量運算速度可達每秒2000萬次以上；CYBER205機專設標量處理機，含5個運算部件,標量運算速度可達每秒5000萬次以上。在提高向量運算速度的同時，進一步提高標量運算速度，儘可能縮小兩者的差距，已成為改善巨型機系統性能的重要研究課題。
主存儲器 為使複雜系統的三維處理成為可能，要求主存儲器能容納龐大的數據量。80年代的巨型機容量已達256兆位元組。為與運算部件的速度相匹配,主存儲器必須大大提高信息流量。為此，主要的措施是：①採取較成熟的多模組交叉訪問技術,模組數量一般取2 n ,有的巨型機採用素數模新技術，以儘量避免向量訪問的衝突；②不斷減小每個模組的存取周期，如CRAY-XMP機的存取周期為38納秒，S810機雖用靜態MOS存儲器,也只有40納秒，與雙極存儲相當；③增加主存儲器的訪問連線埠，如CRAY-XMP機的每台處理機與CRAY-1機相比，訪問連線埠由一個增加到四個，解決了存儲訪問的瓶頸問題。
輸入輸出通道 巨型機不但配有數量較多的輸入輸出通道，如16～32個，而且具有較高的通道傳輸率。如CRAY-XMP機除一般通道外,還有兩個傳輸率為每秒100兆位元組的通道和一個傳輸率高達每秒1250兆位元組的通道。
固態海量存儲器 為適應特大算題的大量數據在主存儲器和外存儲器之間的頻繁調度，新型的巨型機採用固態海量存儲器作為超高速外存儲器。CRAY-XMP機的固態存儲器採用MOS技術，容量為64～256兆位元組，傳輸率比磁碟快50～100倍。S810機的固態存儲器容量為256～1024兆位元組，傳輸率達每秒1000兆位元組。
大規模積體電路 巨型機的 邏輯電路 都採用超高速ECL電路，門級延遲約為0.25～0.5納秒，晶片門數為幾十至一千以上；1984年日本已研製成功4K門陣列常溫砷化鎵晶片，級延遲約為50皮秒；用於向量暫存器的超高速雙極隨機存取存儲器的訪問時間為3.5～5.5納秒。
組裝工藝 縮短機內走線長度和提高機器主頻，是提高巨型機速度的基礎。現代巨型機主頻有的已達 250兆赫以上。為此，除提高晶片的集成度和速度外，還採用微組裝等高密度多層組裝工藝。由此而來的散熱問題很突出，需要採取特殊的冷卻措施。
並行算法和軟體技術 為充分發揮巨型機的系統性能，必須研究各種並行算法並研製並行化的軟體系統。針對特大型科學計算的特點，巨型機通常配置如下軟體：具有多重處理能力的批處理分散式 作業系統 、高效的彙編語言、向量FORTRAN或PASCAL、ADA語言和向量識別器、並行化標準子程式庫、科學子程式庫和應用程式庫、系統 實用程式 、診斷程式等。
