超級計算機在中國及世界的應用

1、超級計算機在世界及中國的發(fā)展一. 超級計算機介紹超級計算機是一個相對的術語，指的是其在處理能力和計算速度上領先于當 時其他所有的計算機。按照美國傳統(tǒng)詞典的解釋，超級計算機是在一定時期內(nèi)可 以得到的一種最大的、運行速度最快的、功能最強的計算機。超級計算機通常是 由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機)組成的、能計算普通pc機和服務器不能完 成的大型復雜課題的計算機。自20世紀70年代，世界上第一臺超級計算機誕生 以來，目前的超級計算機每秒進行上千億次加法運算已經(jīng)是很普通的事情。超級 計算機之所以成為世界主要國家競爭的高技術熱點，是因為從戰(zhàn)略角度看，信息 技術已經(jīng)成為21世紀最重要的高技術之一，而作為信息

2、技術前沿的超級計算機, 作為一種戰(zhàn)略資源，是一個國家綜合國力的體現(xiàn)，對國家經(jīng)濟和社會發(fā)展具有戰(zhàn) 略影響。二. 超級計算機發(fā)展歷史第一臺止式被稱為超級計算機的機器 ibm naval ordnance research calculator 1954年到1963年在哥倫比亞大學被用于計算導彈彈道。這臺機器誕 生于微處理器問世z前，它的邏輯和算術部分占據(jù)了一間房間整整一面墻，它們 由安裝在電路中的真空管、電阻、電容和晶體整流器構(gòu)成，具有1微秒的吋鐘速 度，每秒能夠執(zhí)行大約15萬次計算。在整個70年代和80年代初期，超級計算機一直使用向量計算技術。這種技 術對提高計算機運算速度十分有利，有利于流水線

3、的充分利用，有利于多功能部 件的充分利用。但由于時鐘周期已接近物理極限，向量計算機的進一步發(fā)展已經(jīng) 不太可能。所以，要繼續(xù)提高性能也就意味著必須投入多個cpu來同吋為一個 程序工作。在這樣的背景下，一個全新的概念被提出來了，那就是大規(guī)模并行處 理(mpp),也是從這個時候，英特爾、ibm和sgi開始成為超級計算機領域的新 貴。超級計算機也開始走上了真正的商用化道路。1992年，英特爾推出paragon超級計算機，它成為歷史上第一臺突破萬億次 浮點計算屏障的超級計算機。緊接著,ibm的sp2、日立公司的sr2201和sgi 公司的0rigin2000超級計算機都先后出現(xiàn)。值得一提的是0rigin

4、2000系列后來 成為sgi公司制作電影cg的主力，很多大場而的電影都有它的功勞。1996年12月，sgi公司 研制出一臺具有256個處理器的超級計算機安裝 在美國國家實驗室。這個系統(tǒng)的處理器還將增加為4096個，運算速度達到了 30000億次。進入2000年之后，超級計算機的競爭日漸激烈，2000年6月美國國際商用 機器公司（i em）宣布已經(jīng)研制成功目前世界上速度最快的超級計算機，每秒 運算速度達12.3萬億次，隨后日本宣布從2001年起開發(fā)運算速度高達每秒130 萬億次的超級計算機。印度也宣布在2000年后研制萬億次計算機。隨著新技術 的迅速發(fā)展，超級計算機的運算速度記錄也在不斷地刷新，

5、根據(jù)2006國際超級 電腦會議公布的結(jié)果，fi前最快的超級計算機是美國利弗莫爾國家實驗室的ibm blue gene/l,內(nèi)含65,636顆處理器，提供280.6 tflop/s運算能力（約280萬億 次/秒）。三. 超級計算機發(fā)展現(xiàn)狀目前，世界超級計算機基本上為歐美發(fā)達國家所控制。在當今世界已投入商 業(yè)運行的前500臺超級計算機中，美國和加拿大占據(jù)了 60%,歐洲占26.8%, 日本占了 11.2%,其他國家僅占2%。根據(jù)第28屆top500排名的數(shù)據(jù)，總計500大名單中，ibm制作的系統(tǒng)乎 占有半數(shù)，總占有率達47.8%,成為超級電腦最主要供應品牌之首，而前五名中 ibm亦占上四位。而hp

6、公司則穩(wěn)守第二位，總占有率達31.2%。處理器方而， top500雖然仍是intel的天下，卻已從年前的66%跌至52.2%。反z,配有amd 的opteron處理器系統(tǒng)數(shù)量不斷上升，由年前的55部至現(xiàn)時113臺，升幅超過 一倍，并首次多于ibm的93臺。近年雙核心處理器亦成為超級電腦的大勢所趨, 現(xiàn)時top500當中就有75臺使用amd opteron雙核心，而intel的woodcrest雙 核心亦占去31臺，合供106臺，預期陸續(xù)會有更多使用雙核心的超級電腦出現(xiàn)。在廠商z間，ibm、英特爾、nec和sgi的競爭一向激烈，近來又冒出了 蘋果。這家公司的g5蘋果超級計算機已經(jīng)后來居上，超過英

7、特爾居于超級計算 機排行榜的第三位。在中國，聯(lián)想和曙光同樣開發(fā)了國產(chǎn)超級計算機，在全球500強超級計算機中能夠看到中國人的身影。超級計算機的日漸火爆甚至吸引了軟件巨頭微軟。微軟表示，他們將針對“超 級計算機”而專門開發(fā)操作系統(tǒng)，微軟已經(jīng)成立了獨立的“高性能計算”部門。 2006年10月24日微軟(中國)有限公司宣布在中國正式發(fā)布windows® compute cluster server 2003。windows® compute cluster server 2003 是專門設計用來運行 并行化高性能計算(hpc)的全新軟件產(chǎn)品，該產(chǎn)品的發(fā)布標志著微軟正式進軍日 益重要

8、的高性能計算領域，并在高端企業(yè)級市場上再次掀起關注熱潮。四. 超級計算機在中國的發(fā)展狀況1956年，我國制定了科學技術發(fā)展十二年規(guī)劃，在此之后不久，中國科 學院計算所建立了，吸取了蘇聯(lián)已有的技術和經(jīng)驗，我國計算所實行了“先集中 攻堅，后分散展開”的原則，研制出了中國第一臺小型機一一103機和第一臺大 型機104機。在這之后，又研制成功了 107、119、111、717、757等計算機, 其中，被譽為“功勛機”的109丙機，為我國的“兩彈一星”事業(yè)做出了不可磨 滅的貢獻。1992年，我國第一臺每秒25億次的高性能計算機一一曙光1000研 制成功。在這臺計算機誕生的第三天，國外宣布10億次計算機對

9、我國解禁。2004 年，曙光4000a推出，運算速度達到每秒10萬億次，當時排到了世界高超級計 算機top500的前10位。除了中科院計算所，國防科技大學在研究超級計算機方面也取得了重大進 展，1983年，國防科技大學慈云桂教授等專家在極其簡陋的條件下，為中國研 制出第一臺每秒1億次巨型計算機機系統(tǒng)“銀河”。之后，1992年11月，在周 興銘教授領導下，我國成功研制出“銀河ii” 10億次巨型機，實現(xiàn)了從向量巨 型機到處理并行巨型機的跨越。1997年，研制成功“銀河iii”百億次巨型機， 實現(xiàn)了從多處理并行巨型機到大規(guī)模并行處理巨型機的跨越?！吧裢毕盗幸彩俏覈咝阅苡嬎銠C中的主力軍之一。19

10、99年9月，由國家 并行計算機工程技術研究中心牽頭研制成功的“神威”計算機系統(tǒng)投入運行，次 年，“神威i”面向社會開放使用。“神威i”浮點運算的峰值速度為每秒3840億 次，在當時世界上已投入商業(yè)運行的高性能計算機中排名第48位。我國大陸排名最高的超級計算機系統(tǒng)是第82位的曙光4000a,安置在上海超 級計算機中心。曙光4000a由曙光集團在2004年完成，采用了 amd opteron 2.2ghz處理器和泰安主板，峰值浮點運算性能8.06tfiops,在2004年6月的排 名曾高達第10位,而現(xiàn)在排名第10的平均性能就有54.20tflpos,第100的性 能也有6.65tflops 了。

11、可見我們的超級計算機技術與發(fā)達國家相比還有很大的距 離。五. 超級計算機發(fā)展趨勢1. 處理器多核化服務器處理器的多核化在2005年由amd公司雙核0pteronintel公司雙核 xeon paxville、sun公司8核ultrasparc t1拉開序幕后，在2006年，操作系統(tǒng) 及應用軟件對多核處理器的進一步支持及優(yōu)化、65納米芯片制造工藝的成熟、 amd powernow!及intel eist為代表的低功耗技術的發(fā)展，芯片級虛擬化技術 的成熟等諸多因素，使得服務器處理器多核化趨勢進一步彰顯。多核技術將成為 2006年計算機技術的重要技術支點。2. 刀片式服務器進入技術及應用成熟期刀片式

12、服務器技術走向市場開始于1999年。2001年開始發(fā)展刀片的swich 和存儲虛擬化。2004年注重刀片式服務器整體性能提升。2005年注重刀片式服 務器專用化。2006年，刀片式服務器產(chǎn)品在多核、低功耗技術的推動下，將從 最初追求高密度的第一代刀片，發(fā)展到強調(diào)整體綜合性能、高生產(chǎn)力的第二代刀 片產(chǎn)品。未*兩到三年，刀片式服務器將以更高密度、敏捷式部署和維護、全方 位監(jiān)控管理、高可擴展性、高可用性為發(fā)展重點，刀片式服務器成為與機架式服 務器并駕齊驅(qū)的成熟的主流產(chǎn)品。3. 標準化與普及化泛高性能計算時代的標志是高性能計算機在各行各業(yè)的廣泛使用，應用的門 檻很低，包括低價格、易管理、易用，以及豐富

13、的應用。工業(yè)標準化機群是走向 泛高性能計算時代的必由之路。2006年，機群的遠程異地操作控制、一體化監(jiān) 控、負載均衡、智能機柜、異構(gòu)支持、機群簡易管理、機群快速部署、機群高速 i/o、機群安全、行業(yè)應用等技術的發(fā)展和標準化，將促使工業(yè)標準化機群進一 步被行業(yè)應用廣泛接受。4. 體系結(jié)構(gòu)突破性創(chuàng)新成果初步顯現(xiàn)高性能和高效能計算機的體系結(jié)構(gòu)正處于突破性創(chuàng)新的前夜，ibm percs 計劃、sun hero計劃、cray cascade計劃、我國的百萬/千萬億次超級計算機計 劃，無不預示著計算機體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的深度和廣度將有更進一步的發(fā)展。存儲海 (sea of memory)內(nèi)存內(nèi)嵌處理器(pim)

14、> interval arithmetic> 界步 smp、智能內(nèi) 存、貼近通信、超并行結(jié)(hyper parallel processing)>異構(gòu)多核等技術涌現(xiàn)。5. 網(wǎng)格成超級計算機發(fā)展趨勢超級計算機的運算速度已經(jīng)達到每秒鐘280.6萬億次浮點運算速度，同時日 木宣布預計在2010年研制出每秒鐘1000萬億次浮點運算的超級計算機。整個計 算機界最大的問題就是半導體技術，因為熱量已經(jīng)達到極限點，成為很難解決的 技術瓶頸。事實上，網(wǎng)格技術是超級計算機最可行的發(fā)展方向，這一結(jié)論得到大 多數(shù)科技工作者的認町。所謂網(wǎng)格，就是將網(wǎng)上分布式的計算資源整合在一起而 構(gòu)成的一種大型虛擬計算系統(tǒng)。網(wǎng)格計算的魅力在于使用從局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)上閑 置的計算能力，并將這些能力集中起來完成大計算量的任務，同時還可以提高網(wǎng) 上資源的利用率。我國也在部署網(wǎng)格，以提高科研的預測能力。據(jù)了解，我國目 前已經(jīng)有五個實驗網(wǎng)格在運行。參考文獻：top 10 sites for november 2006top500 list http:/www.top500.org/lists/2006/l 1超級計算機介紹甘肅省超級計算中心 http:/www.gspcc.eom/gxn/