- 相關(guān)推薦
超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀、應(yīng)用及展望
摘 要：超級(jí)計(jì)算機(jī)是一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的體現(xiàn)，它對(duì)國(guó)家安全，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義。就世界和我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀、用途分別進(jìn)行了分析和闡述，并探討超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：超級(jí)計(jì)算機(jī) MPP結(jié)構(gòu) NOW結(jié)構(gòu)
1 超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀
1.1 超級(jí)計(jì)算機(jī)的分類
超級(jí)計(jì)算機(jī)可分兩類，采用專用處理器或者采用標(biāo)準(zhǔn)兼容處理器。前者可以高效地處理同一類型問(wèn)題，而后者則可一機(jī)多用，使用范圍比較靈活、廣泛。專一用途計(jì)算機(jī)多見(jiàn)于天體物理學(xué)、密碼破譯等領(lǐng)域。國(guó)際“象棋高手”“深藍(lán)”、日本的“地球模擬器”都屬于這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，500強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)有232個(gè)是非專用系統(tǒng)，服務(wù)于軍事、醫(yī)藥、氣象、金融、能源、環(huán)境和制造業(yè)等眾多領(lǐng)域。
1.2 世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀
目前，世界排名前10位的超級(jí)計(jì)算機(jī)中美國(guó)有7臺(tái)，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(kāi)發(fā)成功，每秒運(yùn)速為35.86萬(wàn)億次，曾長(zhǎng)時(shí)間保持世界超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)速的最快記錄。這一排名極大地刺激了美國(guó)，為此美國(guó)能源部趕快和IBM等公司合作研制，并于2009年9月開(kāi)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(kāi)發(fā)成功世界運(yùn)速最快的“SX-8”超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒運(yùn)速為 58萬(wàn)億次，由5/2臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在一起，中央處理器由日本電氣公司提供。美國(guó)國(guó)防部立即啟動(dòng)一項(xiàng)計(jì)劃：開(kāi)發(fā)一臺(tái)每秒1 000萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)。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(gè)具體計(jì)劃，即于2010年開(kāi)發(fā)出每秒運(yùn)速為1 000萬(wàn)億次以上的超級(jí)計(jì)算機(jī)，并且由日本東京大學(xué)牽頭聯(lián)合研制世界上最高速超級(jí)計(jì)算機(jī)“GRAPE-DR”，每秒可運(yùn)行2 000萬(wàn)億次。
1.3 中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀
從1978年，鄧小平同志在第一次全國(guó)科技大會(huì)上說(shuō)：“中國(guó)要搞四個(gè)現(xiàn)代化，不能沒(méi)有巨型機(jī)!”此后，我國(guó)計(jì)算機(jī)專家?jiàn)^起直追，經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使我國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后第三個(gè)具備自行開(kāi)發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的國(guó)家。
1983年，“銀河I”在國(guó)防科技大學(xué)誕生;1992年，“銀河II”10億次巨型計(jì)算機(jī)在長(zhǎng)沙通過(guò)鑒定;1997年，由國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所研制的“銀河III”并行舉行計(jì)算機(jī)在北京通過(guò)國(guó)家鑒定。“銀河III”并行巨型計(jì)算機(jī)襲用在用訪存指令直接訪問(wèn)全局共享分布存儲(chǔ)器，基于三維環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞膶拵�、低延遲通信、MPP資源管理與處理機(jī)調(diào)度、可移植PDI框架的并行I/O軟件、面向多種語(yǔ)言、多目標(biāo)機(jī)的具有統(tǒng)一中間代碼結(jié)構(gòu)的高性能優(yōu)化編譯，巨型計(jì)算機(jī)高性能網(wǎng)絡(luò)軟、硬件設(shè)計(jì)等技術(shù)方面屬于領(lǐng)先水平，系統(tǒng)綜合達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平。
1993年，曙光1號(hào)由國(guó)家智能中心推出;1995年5月，曙光2號(hào)推出;此后陸續(xù)在1998年、1999年推出“曙光2000—I”、“曙光2000-II”超級(jí)服務(wù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其峰值運(yùn)算速度可高達(dá)每秒3 840億浮點(diǎn)結(jié)果，位居當(dāng)今全世界已投入商業(yè)運(yùn)行的前500位高性能計(jì)算機(jī)的第48位。
2 超級(jí)計(jì)算機(jī)的用途推動(dòng)其發(fā)展
超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，其主要包括計(jì)算密集型(如大規(guī)模工程計(jì)算和數(shù)值模擬)、數(shù)據(jù)密集型(如數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)采集)以及通信密集型(如協(xié)同工作和遠(yuǎn)程遙控)三個(gè)方面。超級(jí)計(jì)算機(jī)的進(jìn)步極大地推動(dòng)了這些應(yīng)用的發(fā)展;反之，這些應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)的新需求又直接地刺激了超級(jí)計(jì)算機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)。
美國(guó)能源部(DOE)的“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新”(AS-CI)計(jì)劃是在全面禁止核試驗(yàn)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(xiàng)創(chuàng)新計(jì)劃。通過(guò)該計(jì)劃，美國(guó)采用以計(jì)算為基礎(chǔ)的方法代替以地下核試驗(yàn)為基礎(chǔ)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(kù)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(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Utah、Illinois、Stanford、Chicago、CalTech五所大學(xué)，在工業(yè)界選擇了IBM、Intel和SGI/Cray三個(gè)合作伙伴。ASCI計(jì)劃將為DOE提供5臺(tái)1-100TFLOPS的超級(jí)計(jì)算機(jī)。第一臺(tái)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(tái)3萬(wàn)億次量級(jí)的系統(tǒng)，即上面提到的“ASCI藍(lán)色太平洋”和“ASCI藍(lán)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(gè)處理器構(gòu)成的lOTFLOPS“白色選擇”，屆時(shí)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(shí)現(xiàn)100TFLOPS。為了解決10-100TFLOPS機(jī)器的關(guān)鍵技術(shù)，DOE在去年又推出了ASCI的一個(gè)補(bǔ)充計(jì)劃——Pathforward計(jì)劃，該計(jì)劃擬解決4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):可擴(kuò)展互連技術(shù);分布式并行操作系統(tǒng);并行程序調(diào)試和性能監(jiān)測(cè)環(huán)境;大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。
印度雖只是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但它對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)在核武器研制中的應(yīng)用十分重視。印度政府認(rèn)為，超級(jí)計(jì)算機(jī)為印度提供了在計(jì)算領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行平等競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。為了不受制于發(fā)達(dá)國(guó)家的禁運(yùn)，印度政府制定了Param計(jì)劃，具體由印度先進(jìn)計(jì)算技術(shù)開(kāi)發(fā)中心(C-DAC)負(fù)責(zé)執(zhí)行。該計(jì)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(luò))、COW(工作站群)和MPP(大規(guī)模并行處理)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的可伸縮性，可提供臺(tái)式機(jī)至TFLOPS級(jí)的性能。Param 10000最高配置1000個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含4個(gè)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(jìn)行核爆破，其重要目的之一就是要為它新研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供各種實(shí)際核試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為將來(lái)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
技術(shù)偵察是世界各國(guó)都非常重視的軍事領(lǐng)域，為了能及時(shí)有效地對(duì)偵察到的各種信號(hào)、密碼進(jìn)行處理和破譯，技術(shù)偵察部門往往都配備了非常先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。例如，美國(guó)國(guó)家安全局配備的超級(jí)計(jì)算機(jī)以5240.02GFLOPS的總計(jì)算能力高居因特網(wǎng)不久前發(fā)布的世界計(jì)算能力最強(qiáng)站點(diǎn)排名表之首，尤其是它的T3EI200 LC1080和T3E900 LC1328分別達(dá)到了1263.6GFLOPS和1165.32GFLOPS的峰值性能。此外，為了以超級(jí)計(jì)算機(jī)為輔助手段提高武器性能、部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力和防衛(wèi)系統(tǒng)的水平，美國(guó)國(guó)防部(DOD)投資20億美元，制定了為期8年的“高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃”(HPCMP)。該計(jì)劃分10個(gè)領(lǐng)域，包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算化學(xué)和材料科學(xué)、大氣、海洋建模和模擬等。HPCMP計(jì)劃的策略是采購(gòu)市場(chǎng)上最先進(jìn)的軟、硬件系統(tǒng)構(gòu)成超級(jí)計(jì)算機(jī)。
美國(guó)政府曾在1994年專門成立了一個(gè)千萬(wàn)億次機(jī)應(yīng)用研究小組，研究結(jié)論是有12個(gè)領(lǐng)域的62種應(yīng)用需要千萬(wàn)億次級(jí)計(jì)算機(jī)，它們都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全和基礎(chǔ)科學(xué)研究方面的重大問(wèn)題，例如天文模擬、飛機(jī)大渦流模擬、能量研究等。為此，美國(guó)政府在1998年度的“計(jì)算、信息與通信”(CIC)計(jì)劃藍(lán)皮書中，已正式將千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的軟、硬件研究列入計(jì)劃。CIC計(jì)劃是1997年由著名的“高性能計(jì)算與通信”(HPCC)計(jì)劃擴(kuò)展而成的一項(xiàng)戰(zhàn)略性研究計(jì)劃，具體由美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)管理實(shí)施，美國(guó)能源部、國(guó)防部、教育部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、航空航天局、環(huán)境保護(hù)局等12家單位參與了該項(xiàng)計(jì)劃。另外，日本東京大學(xué)也已計(jì)劃在未來(lái)5年時(shí)間內(nèi)研制出專門用于天體物理中多體問(wèn)題計(jì)算的GRAPE-6專用超級(jí)計(jì)算機(jī)，若該計(jì)劃能如期完成，它將是世界上第一臺(tái)峰值性能達(dá)到千萬(wàn)億次量級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
3 超級(jí)計(jì)算機(jī)的展望
3.1 MPP結(jié)構(gòu)仍是主流體系結(jié)構(gòu)
MPP系統(tǒng)由于突破了馮·諾伊曼機(jī)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(qiáng)，能最大限度地提高計(jì)算速度，并且系統(tǒng)的性價(jià)比高，為眾多用戶創(chuàng)造了使用超級(jí)計(jì)算機(jī)的條件。從最新TOP500排名表來(lái)看，峰值速度超過(guò)3 000億次的25臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)清一色為MPP系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，MPP系統(tǒng)在當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)已占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成為主流產(chǎn)品。其應(yīng)用從科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域擴(kuò)展到事務(wù)處理、決策支持等方面。
3.2 SSMP成為開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)
MPP系統(tǒng)的可伸縮性與可編程性一直是一對(duì)非常突出的矛盾。NUMA(非均勻存儲(chǔ)訪問(wèn))結(jié)構(gòu)為可伸縮性提供了有效的解決方法，傳統(tǒng)的SNIP結(jié)構(gòu)則在可編程性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這兩種思想的結(jié)合形成了SSMP(可縮放共享存儲(chǔ)多處理)體系結(jié)構(gòu)，使可伸縮性與可編程性得到較好的統(tǒng)一，成為實(shí)現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)的有效途徑之一。
3.3 向量機(jī)繼續(xù)發(fā)展
20世紀(jì)80年代，以Cray系列為代表的向量機(jī)一直是超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，它占據(jù)著超級(jí)計(jì)算機(jī)90%的市場(chǎng)。進(jìn)人90年代以后，由于受物理極限的限制，向量機(jī)的時(shí)鐘周期進(jìn)一步提高難度很大，加上研制周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本高等諸多因素，向量超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)始走下坡路。對(duì)此，業(yè)界曾有人預(yù)言:向量機(jī)(包括PVP)已日落西山，最終會(huì)被市場(chǎng)淘汰。然而從1998年SGI/Cray和NEC公司的行動(dòng)來(lái)看，向量超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)。該系列采用CMOS結(jié)構(gòu)，處理器峰值速度為4GFLOPS，單機(jī)柜節(jié)點(diǎn)峰值性能達(dá)到32GFLOPS，系統(tǒng)在最高配置時(shí)峰值性能為1 TFLOPS，存儲(chǔ)容量達(dá)到ITB;運(yùn)行第十代UN I-COs操作系統(tǒng)，不受“2000年問(wèn)題”影響。SV1系統(tǒng)的性價(jià)比是當(dāng)前市場(chǎng)領(lǐng)先向量系統(tǒng)的9倍，它是SGI/Cray公司發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)劃中的一個(gè)重要里程碑。
3.4 NOW結(jié)構(gòu)前景廣闊
通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)將高性能的工作站互連起來(lái)，構(gòu)成支持并行計(jì)算的工作站機(jī)群系統(tǒng)是獲得廉價(jià)的巨大計(jì)算能力的一種有效方法，它與直接構(gòu)造MPP系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)的可伸縮性、系統(tǒng)的可用性和性價(jià)比等多方面有著更大的優(yōu)勢(shì)。組成NOW的工作站和互連網(wǎng)絡(luò)可以是同構(gòu)的，也可以是異構(gòu)的;互連網(wǎng)絡(luò)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(luò)。
NOW當(dāng)前的一個(gè)主要應(yīng)用方向是并行Web服務(wù)器，由于Internet的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的Web服務(wù)器難以承受負(fù)載的不斷增加和負(fù)載的多樣性，利用NOW對(duì)用戶提供并行服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布負(fù)載，縮短響應(yīng)時(shí)間，是很好的解決方法。
4 結(jié)語(yǔ)
2009年是萬(wàn)億次量級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(chǔ)的MPP結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于相關(guān)應(yīng)用的需求，也顯示了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。在未來(lái)的幾年中，受政府行為和市場(chǎng)需求的雙重推動(dòng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)將向著更高的性能目標(biāo)邁進(jìn)。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)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(jí)計(jì)算技術(shù)，例如光互連技術(shù)、超導(dǎo)體計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)等也將蓬勃興起。
參考文獻(xiàn)
1 李峰.日本開(kāi)發(fā)出每秒運(yùn)算次數(shù)達(dá)58萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)[J].功能材料信息，2005(1)
2 禾刀.第27次世界TOP500超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)布[J].高性能計(jì)算技術(shù)，2006(3)
3 杜曉梅.第25次世界TOP500超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)布[J].高性能計(jì)算技術(shù)，2005(3)
4 曹來(lái)發(fā).超級(jí)計(jì)算機(jī)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005(7)
【超級(jí)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀、應(yīng)用及展望】相關(guān)文章：
計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀的未來(lái)方向論文10-09
計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展探討的論文10-08
計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀分析論文10-08
計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)的論文10-08
計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)論文10-08
水利工程計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與思考10-08
計(jì)算機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀與計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)論文10-08