高性能訓(xùn)算與高性能計算機

中闔科卷窄”計算機科學(xué)與技末系

JJarniTsrsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

高性能計算與高性能計算機

HighPerformanceComputingandHighPerformanceComputers

陳國良吳俊敏

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系

國家高性能計算中心（合肥）

Email：glchen@

Homepage：http:〃www.nhpcc.us憶.

中闔科卷率”計W機科學(xué)與技系

rnTsrsityofScience3ndTechnologyofChinci

,iTi/IEiJTOrCOMPUTERmUI三"C：三AlJDTEDHtJDLEJG(

楠要

高性能計算是一個國家的綜合國力的體現(xiàn)，是支撐國家

實力持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國防安全、高科技發(fā)展和

國民經(jīng)濟建設(shè)中占有重要的戰(zhàn)略地位。計算科學(xué)已經(jīng)和傳統(tǒng)

的理論科學(xué)與實驗科學(xué)并列成為第三門科學(xué)，它們相輔相成

地推動著人類科技發(fā)展和社會文明的進步。21世紀(jì)科學(xué)最重

要和經(jīng)濟上最有前途的研究前沿，有可能通過熟練地掌握先

進的計算技術(shù)和運用計算科學(xué)得到解決。

本報告首先簡單地介紹一下高性能計算的含義、特點、

應(yīng)用需求、地位和作用；接著講述國際高性能計算機和我國

高性能計算機的發(fā)展?fàn)顩r；然后概略地談一下應(yīng)用實例；最

后對加速我國高性能計算及高性能計算機的發(fā)展發(fā)表幾點參

考意見。

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率”計W機科學(xué)與技系

4於rnT絲srsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

目錄

1.高性能計算的意義

2.高性能計算的發(fā)展與現(xiàn)狀

3.高性能計算的典型應(yīng)用

4.高性能計算的挑戰(zhàn)與機遇

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國家高性能計算中心（合肥）3

率”計W機科學(xué)與技系

4於rnT絲srsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.富桃惚花算的意義(1)

L1高性能計算的內(nèi)在含義

1.2高性能計算的應(yīng)用需求

1.3高性能計算的戰(zhàn)略地位

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國家高性能計算中心(合肥)4

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rnTsrsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.裔桃惚計算的意義(2)

i.i高性能計算的內(nèi)在含義

■計算和計算科學(xué)

?所有的學(xué)科都轉(zhuǎn)向定量化和精確化

?三大科學(xué)：理論科學(xué)、實驗科學(xué)和計算科學(xué)

A計算科學(xué)是一個交叉學(xué)科,用計算的方法來解決應(yīng)用問題。

A適用于理論模型復(fù)雜或尚未建立、實驗費用昂貴或無法進

行。

A計算物理、計算化學(xué)、計算生物學(xué)、計算地質(zhì)學(xué)、計算氣

象學(xué)。

＞并行計算是跟上摩爾定律的重要手段。

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率”計W機科學(xué)與技系

4於rnT絲srsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.裔桃惚計算的意義(3)

■高性能計算的含義

?高性能計算簡稱HPC(HighPerformance

Computing),泛指量大、快速、高效的運算。

?高性能計算主要包括：

A向量計算

A并行計算

?分布式計算

A網(wǎng)格計算

A元計算

國家高性能計算中心(合肥)2014-1-11

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rnTsrsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.裔桃惚計算的意義（4）

■高性能計算的量綱

前綴縮寫基幕含意數(shù)值

KiloK103Thousand千

MegaM106Million兆，百萬

Gi9aG109Billion千兆,10億

TenaT1012Trillion垓，萬億

PetaP1015Quadrillion千萬億

ExaE1018Quitillion百億億

Flops：每秒所執(zhí)行的浮點運算次數(shù)（floating-pointoperationsper

second)

目前的PC機運算速度通常在GFbps量級，高性能計算機運算速度則在TFI叩s

至PFIops量級。

國家高性能計算中心（合肥）2014-1-11

中闔科卷率”計W機科學(xué)與技系

rnvsrsityofSciencsandTscnnologyofChina

rjEPARTi/iEiJTDrCOf/IPUTEFi□DJErlCEAUDTEDHiJDLDDf

1.裔桃惚計算的意義(5)

1.2高性能計算的應(yīng)用需求

■應(yīng)用需求

?計算密集型應(yīng)用(Computing-intensive)：

?大型科學(xué)工程計算，數(shù)值模擬等。

?應(yīng)用領(lǐng)域：石油、氣象、CAD、核能、制藥、環(huán)境監(jiān)測分

析、系統(tǒng)仿真等。

?數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用(Dcrta-intensive)：

A數(shù)字圖書館，數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)挖掘，計算可視化等。

?應(yīng)用領(lǐng)域：圖書館、銀行、證券、稅務(wù)、決策支持系統(tǒng)等。

?通信密集型應(yīng)用(Network-intensive)：

A協(xié)同工作，網(wǎng)格計算，遙控和遠(yuǎn)程診斷等。

?應(yīng)用領(lǐng)域：網(wǎng)站、信息中心、搜索引擎、電信、流媒體等。

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國家高性能計算中心(合肥)8

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,iTi/IEiJTOrCOMPUTERmUI三"C：三AlJDTEDHtJDLEJG(

1.裔桃惚計算的意義（6）

■千萬億次超級計算機的應(yīng)用需求

應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用需求計算能力需求存儲容量需求

生物醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)電子態(tài)的計算lOOTflops30TB

藥物發(fā)明中的篩選過程800Tflops200TB

蛋白質(zhì)折疊IPflops1PB

航空航天制造發(fā)動機燃燒模擬和機翼設(shè)計模擬500Tflops100TB

氣候環(huán)境短期天氣預(yù)報20Tflops10TB

長期天氣預(yù)報lOOTflops100TB

局部突發(fā)性災(zāi)難預(yù)報（如洪水、海嘯）IPflops500TB

核能領(lǐng)域完全等離子分析（包括電子結(jié)構(gòu)分析）500Tflops1PB

核武器數(shù)值模擬IPflops1PB

天然氣燃燒IPflops1PB

納米技術(shù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析和功能預(yù)測200Tflops400TB

新材料發(fā)明IPflops2PB

天體物理學(xué)超新星三維模擬IPflops1PB

國防和國家安全密碼破譯IPflops1PB

先進武器模擬IPflops1PB

國家高性能計算中心（合肥）

2014-1-119

中闔科4窄”計算機科學(xué)與技末系

11朋ofScienceandTechnologyofChina

￡>EPARTI/IEIJTOFCQMPUTEFiSCJErJC￡AiJDTEDHtJDL.CJDf

1.裔桃惚計算的意義(7)

1.3高性能計算的戰(zhàn)略地位

■從戰(zhàn)略高度上講

?高性能計算技術(shù)是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。

?高性能高計算是支撐國家實力持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

?高性能計算國防安全、高科技發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)中占

有重要的戰(zhàn)略地位。

,重大挑戰(zhàn)問題：飛機設(shè)計、藥物設(shè)計、全球氣候預(yù)測、

人類基因、海洋環(huán)流新材料、生物分子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體建

模、超導(dǎo)建模等。

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國家高性能計算中心(合肥)10

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1.裔桃惚計算的意義（8）

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（1）

?美國有關(guān)發(fā)展高性能計算的建議報告

A從1982年到2005年，美國國防部、能源部、國家科學(xué)院、

國家科學(xué)基金委以及美國總統(tǒng)信息技術(shù)顧問委員會、美國

信息技術(shù)咨詢委員會、美國國家競爭力委員會等提出的有

關(guān)信息技術(shù)和計算機的建議報告中，大都涉及到了高性能

超級計算機的內(nèi)容。

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國家高性能計算中心（合肥）11

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1.裔桃惚計算的意義（9）

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（2）

＞清單（按年代排序）

/1982年，美國國家科學(xué)院：《關(guān)于科學(xué)研究及工程中的大規(guī)模計算》

/1993年，美國國家科學(xué)院：《從臺式計算機到萬億次計算機：充分發(fā)揮美

國在高性能計算領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)權(quán)》

/1995年，美國國家科學(xué)院：《特別工作組關(guān)于未來國家科學(xué)基金委超級計

算中心計劃報告》

/1996年，美國總統(tǒng)信息技術(shù)顧問委員會：《信息技術(shù)研究：為了未來》

/2000年，美國國家科學(xué)院：《促使信息技術(shù)更好》

/2001年，美國國家科學(xué)院：《無處不在》

/2002年，美國國防部：《適用于國家安全部門的高性能計算》

/2003年，美國能源部：《基于科學(xué)的大規(guī)模模擬》

2003年，美國國家科學(xué)基金委：《通過計算機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變革科學(xué)與工程》

2003年，美國國家科學(xué)基金委：《信息時代的知識丟失》

/2004年，美國國家競爭力委員會：《促使美國變革并提高競爭力》

2004年，美國跨機構(gòu)：《聯(lián)邦高端計算計劃一高端計算復(fù)興特別工作組》

/2005年，美國國家科學(xué)院：《超級計算機未來》

2005年，美國總統(tǒng)信息技術(shù)顧問委員會：《計算科學(xué)：確保美國競爭力》

國家高性能計算中心（合肥）2014-1-1112

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i.富桃怩花算的意義no；

?高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位(3)

?美國發(fā)展有關(guān)高性能計算的行動計劃

A1993年，美國科學(xué)工程技術(shù)聯(lián)邦協(xié)調(diào)理事會：《HPCC(High

performanceComputing&Communication)GrandChallenged計

戈U,提出發(fā)展萬億次(Tera=10i2)計算機計劃。

A1996年，美國能源部和LawrenceLivermore、LosAlamos>Sandia

三大核武器國家實驗室：《ASIC(AcceleratedStrategicComputing

Initiative)計劃，提出發(fā)展千萬億次(Pera=10i5)計算機的目標(biāo)。

>1997年,HPCC包括了HECC(HighEndComputing&

Communication),被擴展為CIC(Computing,Information,

Communication)計戈！J。

>1998年度的CIC藍(lán)皮書，將千萬億次計算機硬件和軟件研制列入

了計劃中。

>2002年啟動HPCS計劃，希望確定未來10到20年超級計算機的體系

結(jié)構(gòu)。

2014-1-11

國家高性能計算中心(合肥)13

中闔科卷計算機科學(xué)與技術(shù)系

ofScienceandTechnologyofChina

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1.裔桃惚君獸的意義（11）

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（4）

?美國1996年提出的ASC工（AcceleratedStrategicComputing

Initiative）計戈（J。

A通過數(shù)值模擬，評估核武器的性能、安全性、可靠性等。

A高分辨率、高逼真度、三維、全物理、全系統(tǒng)的規(guī)模和能力。

A計劃研制5代計算平臺，目前，前四代已完成，第五代平臺正在研制。

＞隨著第一個十年研究結(jié)束，已經(jīng)開始為下一個十年發(fā)展制訂規(guī)劃。

WittiNuclearExperimentsWithoutNuclearExperiments

U

啟

?Willitworkasdesgned??Willitcontinuetoworkasitages?

?IsthesimulaDongoodenoughtonsk?Isthesimulationadequateformaking

thecostofanuclearexperiment?decisionsaffectingnabondsecurity??

國家高性能計算中心（合肥）14

a

中闔也曬彳名計算機科學(xué)與技術(shù)系r

tyofSciencecirdTechnologyofChirici

DEPARTi/ISrJTOFCOMPUTEF^EJCJZMDSAIJDTECHHOL.CJGf

1.富桃怩花算的意義(12)

高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位(5)

?ASC工平臺性能發(fā)展圖

S

Q.O

C

」

“

！

X

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3

a

1996199719961999200020012002200320042005

國家高性能計:Year

中闔科卷計算機科學(xué)與技術(shù)系

IBr^srsityofScienceandTschnologyofChirici

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1.富桃怩花算的意義（13）

高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（6）-ASCI高性能計算機

BlueMountsin

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1.富桃怩花算的意義(14)

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地

位(7)

?美國2002年啟動的千萬億次

超級計算機研究HPCS計劃距aiystsC

A從2002年起的兩年多時間里，ES占Industa

.PerformanceProgramming

據(jù)TOP1位置CharacterizationModels

艮Prediction

Hardware

>Cluster并不是HPC的最終體系結(jié)構(gòu)SystemTechnology

ArchitectureSoftware

>美國DARPA于2002年啟動高生產(chǎn)Technology

率計算系統(tǒng)(HighProductivity

ComputingSystems)HPCS計劃I

-希望確定未來10年甚至20年的高HPCSProgramFocusAreas

性能計算機體系結(jié)構(gòu)

-高生產(chǎn)率而非峰值計算能力作為

評價指標(biāo)

-高性能計算的一個新的創(chuàng)新時代

的開始

2014-1-11

國家高性能計算中心(合肥)17

中解闔源科改M稱?計w機科學(xué)與技術(shù)系，

ofScienceandTechnologyofChirici

DEPAFeTi/iEUTOrCDMPUTEFdEiCJErlCEAUDTEDHUDLOGf

1.富桃怩花算的意義（15）

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（8）

?HPCS計劃的二個階段

HPCSProgramPhasesI-IIInARPA

EarlyAcademiaEarly

MetricsandProducts

BenchmarksSoftwareResearchPilot

HPCS

Capabilityor

Products

Application

Analysis

Performance

Assessment

Industry

Readin

FiscalYear

Rev-ews

\PhaseIPhaseIIPhaseIII

IndusiryProcurement

\IndustryR&DFullScaleDevelopment

CntcalProgramConceptStin

Milestones

國家高性能計拿18

RBG04*11103

個中國科豈計算機科學(xué)與技術(shù)系

rnTsrsityofScience3ndTechnologyofChinei

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.富桃怩花算的意義（16）

■高性能計算在發(fā)達國家的戰(zhàn)略地位（9）

?HPCS的設(shè)計策略

iviuuDin

Symmetric

ParallelrnTtorocessorsHPCSFocus

Shared-MemoryVectorDistrinb|edShared

Multi-ProcessingMeRloryTailorableBalancedSolutions

Performance

Characterization

Massively&Precision

Distributed-MemoryPara唳ISystemHardware

Multi*ComputingProcessorsArchitectureTechnology

“MPI”ferSiGdtls

VectorCommodity

SupercomputerHPC

SinglePointDesignSolutions

AreNoLongerAcceptable

RBG04/11/0311

中闔科卷率”計W機科學(xué)與技系

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,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.富桃怩花算的意義（17）

■高性能計算在我國的戰(zhàn)略地位（1）

J2006年2月，國務(wù)院發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)

展規(guī)劃綱要（2006?2020年）》

?指出加速發(fā)展高性能計算對提高我國國防建設(shè)與國

家安全、國家經(jīng)濟建設(shè)、國家重大工程和基礎(chǔ)科學(xué)

研究等尖端科技領(lǐng)域的核心支撐能力，具有十分重

要的戰(zhàn)略意義。

?提出要全面提升我國的自主創(chuàng)新能力，以期將我國

在2020年前建設(shè)成為一個創(chuàng)新型國家。

2014-1-11

國家高性能計算中心（合肥）20

中闔科卷率”計W機科學(xué)與技系

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,iTi/IEiJTOrCOMPUTERmUI三"C：三AlJDTEDHtJDLEJG(

1.富桃怩花算的意義（18）

?高性能計算在我國的戰(zhàn)略地位（2）

?中國高性能計算發(fā)展大事記

1983年，由國防科技大學(xué)研制的銀河I型億次巨型機系統(tǒng)的成功問世，標(biāo)志著我國具備

了研制高端計算機系統(tǒng)的能力。

1992年，曙光投入200萬元研制曙光一號。隨后，曙光一號、曙光1000、曙光2000、曙

光3000、曙光4000相繼問世。

1994年，銀河I的換代產(chǎn)品銀河II在國家氣象局正式投入運行，其系統(tǒng)性能達每秒10億

次，大大縮短了我國與先進國家的差距。

1997年，銀河IH并行巨型計算機在北京通過國家鑒定，峰值性能為每秒130億浮點運算。

1999年，首臺“神威I”計算機通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。

2000年，由1024個CPU組成的銀河IV超級計算機系統(tǒng)問世，峰值性能達到每秒1.0647萬

億次浮點運算。

2002年,世界上第一個萬億次機群系統(tǒng)聯(lián)想深騰1800出世，獲得2004年國家科技進步

二等獎。

2003年,聯(lián)想深騰6800問世把世界機群計算推向新的高峰。

2004年,曙光4000A成功研制，使中國成為繼美國、日本之后第三個能研制10萬億次商

品化高性能計算機的國家（進入TOP500前10位）。

2005年，中國高性能計算機性能TOP100排行榜揭曉，曙光位居第一。天梭榮獲國家科

學(xué)技術(shù)進步二等獎。

2006年，曙光高性能計算機被胡錦濤總書記點評為“中國七大標(biāo)志性自主創(chuàng)新成果之

一”，曙光4000系列高性能計算機榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎。

2007年12月，中國首臺采用國產(chǎn)高性能通用處理器芯片“龍芯2F”的萬億次高性能計

算機“KD-50-I”研制成功。

2008年6月24日，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、曙光公司和上海超級計算中心在中科強

計算所聯(lián)合舉行了曙光5000落戶上海超級計算中心的簽約儀式。

2014-1-11

國家高性能計算中心（合肥）21

中闔科生叼匯考計算機科學(xué)與技術(shù)系r

TTvSrsityofScisncsandTechnologyofChirici

,rri/IEUTOrCOMPUTERSCIZMCSAlJDTEDHtJDLCJGf

1.富桃怩花算的意義（19）

■高性能計算在我國的戰(zhàn)略地位（3）—國產(chǎn)高性能計算平臺

神威-1.

國家高】22

軍降叼害計w機科學(xué)與立方系，

TvefsiiyofScienceandTechnologyofChina

'ARTidZiJTOFCOMPUTERSCJErJCSArJDTECHHOL.QDf

2.之植惋計算的發(fā)展與規(guī)次（D

2.1高性能計算機的發(fā)展

2.2高性能計算機的現(xiàn)狀

2.3高性能計算面臨的主要問題

2014-1-11

國家高性能計算中心（合肥）23

陋中闔產(chǎn)布M叼2計W機科學(xué)與技京系，

ISIrTTvSrsityofSciencecine!TechnologyofChirici

DEPAFeTi/iEUTOrCDMPUTEFdEiCJErlCEAUDTEDHUDLOGf

2.裔楸M計案的發(fā)展與現(xiàn)吠(2)

2.1高性能計算機的發(fā)展

■歷史回顧

ENIACCDC6600D00D000

2008D0D

D00DD20D00D0DD9MFlops

0DD0D0DDDD2000DD0IntelENDEAVOR

TOP5000D4640IntelD05100D00D0PetaODDD0DDD

ODDTeraFlopDDD6.85TeraFlopMPLinpackD#68

92980Intel00IIO000DTOP500

國家高性能計算中心（合肥）2014-1-11

中闔幽曬彳名計算機科學(xué)與技術(shù)系r

JS3tyofSciencecirdTechnologyofChirici

rri/l￡rJTOFCOMPUTE?^EJCJZMCZAHOTECHHOL.QG/

2.寒桃怩君算的發(fā)展與現(xiàn)技(3)

■發(fā)展過程中的主流技術(shù)

/E制機器

ES

機群友版

發(fā)

MPPNOW,IBM

向量機鼎CraySP2,ASCIQ

盛T3E

CRAY-

巨型機萌1,

CDC6

60

607C00

國家高性能計算中心(合肥)■■25

中闔科卷計算機科學(xué)與技術(shù)系

ofScienceandTechnologyofChina

rjEPARTi/iEiJTDrCOf/IPUTEFi□DJErlCEAUDTEDHiJDLDDf

2.裔楸M計案的發(fā)展與現(xiàn)吠（4）

■兩類構(gòu)造高性能計算機的方式

?采用定制部件?采用商用部件

A價格較高（小于1B$A利用每年80B$的市

市場）場優(yōu)勢

A對大規(guī)?；蛲ㄐ琶蹵對一些計算密集任

集的任務(wù)進行了優(yōu)務(wù)有很好的性能

化設(shè)計>MPP/機群

?并行向量機

NECSX-6(Japan)CrayX-1(formertySV-2)

國家高性能計算中心（合肥）

中闔也曬彳名計算機科學(xué)與技術(shù)系r

tyofSciencecirdTechnologyofChirici

DEPARTi/ISrJTOFCOMPUTEF^EJCJZMDSAIJDTECHHOL.CJGf

2.裔楸M計案的發(fā)展與現(xiàn)吠(5)

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