- 相關推薦
超級計算機的現(xiàn)狀、應用及展望
摘 要：超級計算機是一個國家科研實力的體現(xiàn)，它對國家安全，經(jīng)濟和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。就世界和我國超級計算機的現(xiàn)狀、用途分別進行了分析和闡述，并探討超級計算機的發(fā)展方向。
關鍵詞：超級計算機 MPP結構 NOW結構
1 超級計算機的現(xiàn)狀
1.1 超級計算機的分類
超級計算機可分兩類，采用專用處理器或者采用標準兼容處理器。前者可以高效地處理同一類型問題，而后者則可一機多用，使用范圍比較靈活、廣泛。專一用途計算機多見于天體物理學、密碼破譯等領域。國際“象棋高手”“深藍”、日本的“地球模擬器”都屬于這樣的超級計算機。據(jù)統(tǒng)計，500強超級計算機有232個是非專用系統(tǒng)，服務于軍事、醫(yī)藥、氣象、金融、能源、環(huán)境和制造業(yè)等眾多領域。
1.2 世界超級計算機的現(xiàn)狀
目前，世界排名前10位的超級計算機中美國有7臺，但首位卻是日本“地球模擬器”。該模擬器是2009年由日本電氣公司開發(fā)成功，每秒運速為35.86萬億次，曾長時間保持世界超級計算機運速的最快記錄。這一排名極大地刺激了美國，為此美國能源部趕快和IBM等公司合作研制，并于2009年9月開發(fā)成功了“地球模擬器”。日本也窮追猛趕并于2009年10月20日由日本電氣公司宣布，已開發(fā)成功世界運速最快的“SX-8”超級計算機，每秒運速為 58萬億次，由5/2臺計算機連接在一起，中央處理器由日本電氣公司提供。美國國防部立即啟動一項計劃：開發(fā)一臺每秒1 000萬億次超級計算機。而雄心勃勃的日本電氣公司、東芝公司和日立制作所三家合作，拋出了一個具體計劃，即于2010年開發(fā)出每秒運速為1 000萬億次以上的超級計算機，并且由日本東京大學牽頭聯(lián)合研制世界上最高速超級計算機“GRAPE-DR”，每秒可運行2 000萬億次。
1.3 中國超級計算機的現(xiàn)狀
從1978年，鄧小平同志在第一次全國科技大會上說：“中國要搞四個現(xiàn)代化，不能沒有巨型機!”此后，我國計算機專家奮起直追，經(jīng)過幾十年不懈努力，取得了豐碩成果，“銀河”、“曙光”、“神威”等高性能計算機的出現(xiàn)，使我國成為繼美國、日本之后第三個具備自行開發(fā)高性能計算機的國家。
1983年，“銀河I”在國防科技大學誕生;1992年，“銀河II”10億次巨型計算機在長沙通過鑒定;1997年，由國防科技大學計算機研究所研制的“銀河III”并行舉行計算機在北京通過國家鑒定。“銀河III”并行巨型計算機襲用在用訪存指令直接訪問全局共享分布存儲器，基于三維環(huán)網(wǎng)拓撲的寬帶、低延遲通信、MPP資源管理與處理機調(diào)度、可移植PDI框架的并行I/O軟件、面向多種語言、多目標機的具有統(tǒng)一中間代碼結構的高性能優(yōu)化編譯，巨型計算機高性能網(wǎng)絡軟、硬件設計等技術方面屬于領先水平，系統(tǒng)綜合達到當前國際先進水平。
1993年，曙光1號由國家智能中心推出;1995年5月，曙光2號推出;此后陸續(xù)在1998年、1999年推出“曙光2000—I”、“曙光2000-II”超級服務器。
而1999年研制出的“神威”，其高性能主要表現(xiàn)在，它是一種可縮放大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)，其峰值運算速度可高達每秒3 840億浮點結果，位居當今全世界已投入商業(yè)運行的前500位高性能計算機的第48位。
2 超級計算機的用途推動其發(fā)展
超級計算機的應用十分廣泛，其主要包括計算密集型(如大規(guī)模工程計算和數(shù)值模擬)、數(shù)據(jù)密集型(如數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)采集)以及通信密集型(如協(xié)同工作和遠程遙控)三個方面。超級計算機的進步極大地推動了這些應用的發(fā)展;反之，這些應用領域不斷出現(xiàn)的新需求又直接地刺激了超級計算機的研究與開發(fā)。
美國能源部(DOE)的“加速戰(zhàn)略計算創(chuàng)新”(AS-CI)計劃是在全面禁止核試驗的情況下，為了保持它的核威懾能力和核壟斷地位而提出的一項創(chuàng)新計劃。通過該計劃，美國采用以計算為基礎的方法代替以地下核試驗為基礎的方法，利用數(shù)字方程和三維建模仿真核武器爆炸的效果，確�，F(xiàn)有庫存核武器的性能、安全和可靠性。ASCI共投資10億美元，主要參與者有SNL、LANL、LLNL三個國家實驗室和Utah、Illinois、Stanford、Chicago、CalTech五所大學，在工業(yè)界選擇了IBM、Intel和SGI/Cray三個合作伙伴。ASCI計劃將為DOE提供5臺1-100TFLOPS的超級計算機。第一臺是Intel公司1996年宣布的1.8TFLOPS“ASCI紅色”，現(xiàn)已在SNL安裝使用;1998～1999年完成兩臺3萬億次量級的系統(tǒng)，即上面提到的“ASCI藍色太平洋”和“ASCI藍山”，它們將分別安裝在LLNL和LANL;去年2月份IBM又與DOE簽約，定于2000年完成由8 000個處理器構成的lOTFLOPS“白色選擇”，屆時該系統(tǒng)也將安裝在LLNL。此外，DOE的規(guī)劃還確定2001年將完成30TFLOPS，2009年實現(xiàn)100TFLOPS。為了解決10-100TFLOPS機器的關鍵技術，DOE在去年又推出了ASCI的一個補充計劃——Pathforward計劃，該計劃擬解決4項關鍵技術:可擴展互連技術;分布式并行操作系統(tǒng);并行程序調(diào)試和性能監(jiān)測環(huán)境;大容量數(shù)據(jù)存儲技術。
印度雖只是一個發(fā)展中國家，但它對超級計算機在核武器研制中的應用十分重視。印度政府認為，超級計算機為印度提供了在計算領域與發(fā)達國家進行平等競爭的機會。為了不受制于發(fā)達國家的禁運，印度政府制定了Param計劃，具體由印度先進計算技術開發(fā)中心(C-DAC)負責執(zhí)行。該計劃至今已先后推出了Param 8000、 8600、9000和10000系統(tǒng)，尤其是1998年推出的Param 10000系統(tǒng)綜合了NOW(工作站網(wǎng)絡)、COW(工作站群)和MPP(大規(guī)模并行處理)結構的優(yōu)點，具有良好的可伸縮性，可提供臺式機至TFLOPS級的性能。Param 10000最高配置1000個節(jié)點，每個節(jié)點含4個300 MHz的U1traSPARC-II處理器。據(jù)分析，印度政府去年5月份之所以冒天下之大不題，連續(xù)5次進行核爆破，其重要目的之一就是要為它新研制的超級計算機提供各種實際核試驗數(shù)據(jù)，為將來利用超級計算機進行實驗室模擬打下堅實的基礎。
技術偵察是世界各國都非常重視的軍事領域，為了能及時有效地對偵察到的各種信號、密碼進行處理和破譯，技術偵察部門往往都配備了非常先進的超級計算機處理系統(tǒng)。例如，美國國家安全局配備的超級計算機以5240.02GFLOPS的總計算能力高居因特網(wǎng)不久前發(fā)布的世界計算能力最強站點排名表之首，尤其是它的T3EI200 LC1080和T3E900 LC1328分別達到了1263.6GFLOPS和1165.32GFLOPS的峰值性能。此外，為了以超級計算機為輔助手段提高武器性能、部隊戰(zhàn)斗力和防衛(wèi)系統(tǒng)的水平，美國國防部(DOD)投資20億美元，制定了為期8年的“高性能計算現(xiàn)代化計劃”(HPCMP)。該計劃分10個領域，包括計算流體動力學、計算化學和材料科學、大氣、海洋建模和模擬等。HPCMP計劃的策略是采購市場上最先進的軟、硬件系統(tǒng)構成超級計算機。
美國政府曾在1994年專門成立了一個千萬億次機應用研究小組，研究結論是有12個領域的62種應用需要千萬億次級計算機，它們都是國民經(jīng)濟、國家安全和基礎科學研究方面的重大問題，例如天文模擬、飛機大渦流模擬、能量研究等。為此，美國政府在1998年度的“計算、信息與通信”(CIC)計劃藍皮書中，已正式將千萬億次超級計算機的軟、硬件研究列入計劃。CIC計劃是1997年由著名的“高性能計算與通信”(HPCC)計劃擴展而成的一項戰(zhàn)略性研究計劃，具體由美國國家科學技術委員會負責管理實施，美國能源部、國防部、教育部、國家科學基金會、航空航天局、環(huán)境保護局等12家單位參與了該項計劃。另外，日本東京大學也已計劃在未來5年時間內(nèi)研制出專門用于天體物理中多體問題計算的GRAPE-6專用超級計算機，若該計劃能如期完成，它將是世界上第一臺峰值性能達到千萬億次量級的超級計算機。
3 超級計算機的展望
3.1 MPP結構仍是主流體系結構
MPP系統(tǒng)由于突破了馮·諾伊曼機順序執(zhí)行的限制，系統(tǒng)性能隨處理器數(shù)量增加而增強，能最大限度地提高計算速度，并且系統(tǒng)的性價比高，為眾多用戶創(chuàng)造了使用超級計算機的條件。從最新TOP500排名表來看，峰值速度超過3 000億次的25臺超級計算機清一色為MPP系統(tǒng)。由此可見，MPP系統(tǒng)在當今的超級計算機市場已占據(jù)絕對優(yōu)勢，成為主流產(chǎn)品。其應用從科學和工程計算領域擴展到事務處理、決策支持等方面。
3.2 SSMP成為開發(fā)熱點
MPP系統(tǒng)的可伸縮性與可編程性一直是一對非常突出的矛盾。NUMA(非均勻存儲訪問)結構為可伸縮性提供了有效的解決方法，傳統(tǒng)的SNIP結構則在可編程性方面具有明顯的優(yōu)勢，這兩種思想的結合形成了SSMP(可縮放共享存儲多處理)體系結構，使可伸縮性與可編程性得到較好的統(tǒng)一，成為實現(xiàn)超級計算機的有效途徑之一。
3.3 向量機繼續(xù)發(fā)展
20世紀80年代，以Cray系列為代表的向量機一直是超級計算機領域的主流產(chǎn)品，它占據(jù)著超級計算機90%的市場。進人90年代以后，由于受物理極限的限制，向量機的時鐘周期進一步提高難度很大，加上研制周期長、開發(fā)成本高等諸多因素，向量超級計算機開始走下坡路。對此，業(yè)界曾有人預言:向量機(包括PVP)已日落西山，最終會被市場淘汰。然而從1998年SGI/Cray和NEC公司的行動來看，向量超級計算機的前途并非如此暗淡。
SGI/Cray于2009年6月16日公布了其新的SV1系列向量超級計算機。該系列采用CMOS結構，處理器峰值速度為4GFLOPS，單機柜節(jié)點峰值性能達到32GFLOPS，系統(tǒng)在最高配置時峰值性能為1 TFLOPS，存儲容量達到ITB;運行第十代UN I-COs操作系統(tǒng)，不受“2000年問題”影響。SV1系統(tǒng)的性價比是當前市場領先向量系統(tǒng)的9倍，它是SGI/Cray公司發(fā)展超級計算機計劃中的一個重要里程碑。
3.4 NOW結構前景廣闊
通過高速網(wǎng)絡將高性能的工作站互連起來，構成支持并行計算的工作站機群系統(tǒng)是獲得廉價的巨大計算能力的一種有效方法，它與直接構造MPP系統(tǒng)相比，在結構的可伸縮性、系統(tǒng)的可用性和性價比等多方面有著更大的優(yōu)勢。組成NOW的工作站和互連網(wǎng)絡可以是同構的，也可以是異構的;互連網(wǎng)絡通常采用LAN，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI等，也可以采用TM網(wǎng)絡。
NOW當前的一個主要應用方向是并行Web服務器，由于Internet的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的Web服務器難以承受負載的不斷增加和負載的多樣性，利用NOW對用戶提供并行服務，實現(xiàn)分布負載，縮短響應時間，是很好的解決方法。
4 結語
2009年是萬億次量級超級計算機蓬勃發(fā)展的一年。在推出的眾多新產(chǎn)品中，以通用微處理器為基礎的MPP結構仍占據(jù)主流地位。但以Cray SV系列、富士通VPP系列以及NEC SX系列為代表的PVP結構由于相關應用的需求，也顯示了強勁的發(fā)展勢頭。在未來的幾年中，受政府行為和市場需求的雙重推動，超級計算機將向著更高的性能目標邁進。同時，隨著半導體技術的發(fā)展趨于極限，基于一些新材料、新工藝的非傳統(tǒng)超級計算技術，例如光互連技術、超導體計算機、分子計算機和量子計算機等也將蓬勃興起。
參考文獻
1 李峰.日本開發(fā)出每秒運算次數(shù)達58萬億次的超級計算機[J].功能材料信息，2005(1)
2 禾刀.第27次世界TOP500超級計算機發(fā)布[J].高性能計算技術，2006(3)
3 杜曉梅.第25次世界TOP500超級計算機發(fā)布[J].高性能計算技術，2005(3)
4 曹來發(fā).超級計算機[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005(7)
【超級計算機的現(xiàn)狀、應用及展望】相關文章：
計算機應用現(xiàn)狀的未來方向論文10-09
計算機應用現(xiàn)狀與發(fā)展探討的論文10-08
計算機應用的發(fā)展現(xiàn)狀趨勢的論文10-08
水利工程計算機應用現(xiàn)狀與思考10-08