超級計算機小論文

超級計?算機技術(shù)已不再是一個新鮮的話題，美國IBM、日本\EC、中國曙光都已推出自己的超級計算機，但比較而言，以美國兩院院士、"世界超級渦輪式刀片計算機之父”陳世卿博士為首的專家團隊回歸祖國后研發(fā)出的超級訃算機仍然具有絕對的優(yōu)勢。新一代的超級計算機采用渦輪式設(shè)汁，每個刀片就是一個服務(wù)器，能實現(xiàn)協(xié)同工作，并可根據(jù)應(yīng)用需要隨時增減。單個機柜的運算能力可達460.8千億次/秒，理論上協(xié)作式高性能超級訃算機的浮點運算速度為100萬億次/秒，實際高性能運算速度測試的效率高達84.35%,是名列世界最高效率的超級計算機之一。通過先進的架構(gòu)和設(shè)計，它實現(xiàn)了存儲和運算的分開，確保用戶數(shù)據(jù)、資料在軟件系統(tǒng)更新或CPU升級時不受任何影響，保障了存儲信息的安全，真正實現(xiàn)了保持長時、高效、可黑的運算并易于升級和維護的優(yōu)勢。2011年6月21日國際T0P500組織宣布，日本超級計算機“京”(Kcomputer)以每秒8162萬億次運算速度成為全球最快的超級計算機。由日本政府出資、富士通制造的巨型計算機“KComputer”H前落戶于日本理化研究所，并成功從中國手中奪回運算速度排行榜第一的寶座。以每秒8162萬億次運算速度成為全球最快的超級計算機?！癒Computer"當前運算速度為每秒8千萬億次，而到2012年完全建成時，其運算速度將達到每秒一萬萬億次?！癒Computer"比現(xiàn)居笫二的中國超級計算機速度快岀約3倍，其至比排名笫2至第6的計算機運算速度總和還要快。LI前各種超級計?算機的高速處理能力基本上都是利用并行體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，并行計算(ParallelComputing)已成為提高處理性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。簡單地講，并行計算技術(shù)就是用同時運行的多個處理機或計算機來處理同一任務(wù)，從而大幅度提高任務(wù)的處理速度、縮短了任務(wù)的處理時間。超級汁算機的五大形態(tài)在超級計算機技術(shù)的發(fā)展歷程中，先后出現(xiàn)過多種超級計算機并行體系結(jié)構(gòu)，主要有如下5種。并彳亍向量處理(ParallelVectorProcessing,PVP)系統(tǒng)采用一定數(shù)量的、并行運行的向量處理器和共孕式內(nèi)存(SharedMemory,SM)結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)。PVP系統(tǒng)的SM結(jié)構(gòu)，也就是采用高帶寬的交叉開關(guān)將各個向量處理器與其共享的內(nèi)存模塊連接。向量處理器(VectorProcessor)的一條指令能夠同時對多個數(shù)據(jù)項(向量矩陣)執(zhí)行運算，而一般的通用CPU屬于標量處理器(ScalarProcessor),每次只能對一個數(shù)據(jù)項進行處理。其代表機型有CrayXMP、CrayYNP、NECSX2、我國的銀河一號和二號等。對稱式多處理(SymmetricMultiProcessing,SMP)系統(tǒng)采用一定數(shù)量、并行運行的微處理器和共乍式內(nèi)存(SM)結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)，各處理器通過系統(tǒng)總線或交義開關(guān)連接共享的內(nèi)存模塊，可“均等”或“對稱”地共享內(nèi)存和其它系統(tǒng)資源并山同一操作系統(tǒng)管理，提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此SMP屬于“一致性內(nèi)存訪問”(Un辻ormMemoryAccess,UMA)方式，SMP的代表機型有IBMR50、SGIPowerChallenge^SunSPARCCenter2000、曙光一號等。分布式共乍內(nèi)存(DistributedSharedMemory,DSM)系統(tǒng)由一定數(shù)量的并行處理節(jié)點(Node)組成，每個節(jié)點都是一個相對完整的計算單元(配置有處理器和內(nèi)存模塊)，各節(jié)點通過高速網(wǎng)絡(luò)互連，系統(tǒng)III單一操作系統(tǒng)管理，分布于各個節(jié)點的全部內(nèi)存被統(tǒng)一編址，可由所有用戶共享。與SMP不同，DSM對內(nèi)存資源的共享是非對稱的，因為每個節(jié)點訪問本地內(nèi)存與遠程節(jié)點內(nèi)存時的延遲和帶寬是不同的，故DSM系統(tǒng)屬于"非一致性內(nèi)存訪問”(Non-UniformMemoryAccess,NUMA)方式，其代表機型有SGIOrigin2000/3000、SequentNUMA-Q>HP/ConvexSPP1600、銀河三號和神威一號等。大規(guī)模并行處理(MassiveParallelProcessing,MPP)系統(tǒng)山成廳上千計?算節(jié)點組成的并行處理計?算機系統(tǒng)，每個計?算節(jié)點配置一個或多個處理器，各個節(jié)點相對獨立，有各自獨立的內(nèi)存模塊和操作系統(tǒng)。MPP系統(tǒng)的特點是可以獲得很高的峰值運算速度，且由于系統(tǒng)的內(nèi)存分布于各個節(jié)點，所以MPF屬于“分布式內(nèi)存”(DistributedMemory,DM)結(jié)構(gòu),具有易擴展性。MPP的易擴展性使其能夠與SMP、DSM等結(jié)合，于是出現(xiàn)了SMP-MPP(各個MPP節(jié)點采用SMP并行多處理機)和DSMMPP(各個節(jié)點采用DSM并行多處理機)等復合型超級計算機系統(tǒng)。MPP系統(tǒng)的代表機型主要有IBMSP2、IntelParagon^CRAYT3E、曙光1000等。5機群式超級訃算機系統(tǒng)上世紀90年代中后期，隨著Intel芯片等造價低廉的微型計算機組件的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使采用普通微型機或工作站作為訃算節(jié)點并采用高速網(wǎng)絡(luò)互連的并行計算系統(tǒng)成為了可能，超級計算機體系結(jié)構(gòu)山此開始邁入工作站機群(ClusterofWorkstations,COW)或工作站網(wǎng)絡(luò)(NetworkofWorkstations,NOW)時代。2000年以后，乂出現(xiàn)了節(jié)點采用商用級處理器的機群系統(tǒng)(Cluster),以及采用SMP并行機作為訃算節(jié)點的SMP機群或星群(Constellation)<>從內(nèi)存訪問方式上看，機群系統(tǒng)采用了與MPP相同的分布式內(nèi)存(DM)結(jié)構(gòu)，因而具有很高的可擴展性。機群系統(tǒng)的代表機型有洛斯阿拉莫斯國家實驗室的AvalonCluster.ASCIBlueMountain、深騰1800/6800和曙光2000/3000等。超級計算機的展望一般認為，自1946年第一臺電子計算機ENIAC問世至今，超級計算機的發(fā)展已先后經(jīng)歷了5個階段或5代，即早期的單處理器巨型機、向量處理系統(tǒng)、大規(guī)模并行處理系統(tǒng)、共享內(nèi)存處理系統(tǒng)和機群系統(tǒng)。如前所述，機群系統(tǒng)山于采用了分布式內(nèi)存(DM)結(jié)構(gòu)因而具有很高的可擴展性，理論上只要以高帶寬的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)為基礎(chǔ)，增加節(jié)點數(shù)量就能提高并行處理能力或計算速度。另外，由于機群系統(tǒng)可以采用低成本的微型機組件、免費的Linux操作系統(tǒng)和并行編程平臺來構(gòu)建，因而具有非常高的性價比。的確，易于擴展、高性價比等特點賦予了機群系統(tǒng)很強的生命力，但是機群系統(tǒng)的計算性能是否簡單地利用其可擴展性就能無限地提升呢？事實上，當機群節(jié)點數(shù)量過于龐大時，就不可避免地會遭遇到網(wǎng)絡(luò)延遲加劇和并行處理環(huán)境等方面的瓶頸，系統(tǒng)的可黑性會大打折扣且維護的難度明顯增加，同時占地面積和耗電量也將十分驚人。因此，目前“正在興旺時期”的機群技術(shù)并不是超級訃算機技術(shù)發(fā)展的終結(jié)者，未來超級訃算機性能的進一步提升，依然要黑超級訃算機體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新來實現(xiàn)按照有關(guān)專家和研究人員的構(gòu)想，與現(xiàn)有第5代的機群系統(tǒng)相比，未來的HPC-G6將具備更高的可擴展性、可用性、可持續(xù)性、計算密度、可管理性、運行效率和性能功耗比等特征。更高的可擴展性意味著未來的HPC-G6可以更大規(guī)模地擴展節(jié)點數(shù)量及其互連帶寬，實現(xiàn)數(shù)千甚至上萬個節(jié)點的高速互連。更高的可用性和訃算可持續(xù)性即系統(tǒng)具有高可靠的持續(xù)運算能力，更高的計算密度指單個機架空間中將能容納更多的處理單元、具有更高的計算能力，更高的可管理性即能夠采用簡便的操作控制方式實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的有效管理。HPC-G6將具有更高的運行效率，并且單位功耗所換取的計算能力，也就是性能功耗比將進一步提升。雖然，HPG-G6LI前還只是作為一種概念和構(gòu)想被提出，但它標志著人們已經(jīng)向更高的性能進步。高性能計算機的研制已走入發(fā)展的十字路口。美國Illinois大學計算機系DanielA.Reed教授曾指出：“在美國目前還沒有積極的大規(guī)模體系結(jié)構(gòu)和原型研究項II。簡單的說，我們LI前正面臨著體系結(jié)構(gòu)的危機，包括軟件和硬件?！边@一十字路口很像1990年國內(nèi)有關(guān)使用微處理器構(gòu)成并行系統(tǒng)還是用大規(guī)模集成電路自己設(shè)訃向量