超級計算機的現(xiàn)狀及展望摘要：超級計算是解決國家經(jīng)濟建設、社會發(fā)展、科學進步、國家安全和國防建設等領域一系列重大挑戰(zhàn)性問題的重要手段，是國家綜合國力、科技競爭力和信息化建設能力的重要體現(xiàn)，是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，已經(jīng)成為世界各國特別是大國爭奪的戰(zhàn)略制高點。在計算機領域，超級計算泛指設計、制造和應用超級計算機的各類活動；在其他行業(yè)領域，超級計算通常指在超級計算機上進行的大規(guī)模科學和工程計算、海量數(shù)據(jù)處理和信息服務等應用活動。超級計算機在全球已經(jīng)取得了舉世矚目的成就，最近的全球超級計算機500強榜單的公布，超級計算機再次成為人們關注的焦點。中國的“天河一號”雖然居于第二位，但是這已經(jīng)表明中國的計算機事業(yè)正在突飛猛進的發(fā)展，正在逐漸成為我們綜合國力的重要體現(xiàn)。隨著超級計算機運算速度的迅猛發(fā)展，它也被越來越多的應用在工業(yè)、科研和學術等領域。就擁有量和運算速度上我國在世界上處于領先地位，但就超級計算機的應用領域來說我們和發(fā)達國家美國、德國等國家還有較大差距。如何利用超級計算機來為我們的工業(yè)、科研和學術等領域服務已經(jīng)成為我們今后研究發(fā)展的一個重要課題。關鍵詞：超級計算機、發(fā)展、挑戰(zhàn)1、 超級計算機概念超級計算機是指“當前時代運算速度最快的大容量大型計算機，是計算機領域的珠穆朗瑪峰”。類似稱謂還有高性能計算機、高效能計算機等。超級計算機的界定具有顯著的時代特征，與當時的計算機技術和應用的發(fā)展水平緊密相關。以峰值速度指標為例，2000年前后，具有每秒萬億、十萬億次雙精度浮點運算能力是超級計算機的標志；而在2009年前后，百萬億次以上成為超級計算機的新標志；當前，千萬億次已成為超級計算機的新高峰。2、 超級計算機主要用途日常經(jīng)濟、科技、國防等領域存在一系列復雜、大型的問題，都建立了越來越精細的物理模型，都需要計算機求解。最復雜、最大型的一類被稱為"挑戰(zhàn)性問題〃，必須依賴同時代中運算速度最快的"超級計算機〃。2.1氣象預報：借助超級計算機能夠模擬復雜的氣流、洋流變化，預測天氣走向，從而避免或減緩氣象災害給人類帶來的破壞。2.2地震預報：超級計算機能計算各種地層應力變化，模擬地殼運動，這將幫助人們探索地震預測方法，從而減輕與地震相關的災害風險。2.3發(fā)現(xiàn)生命秘密：從基因學的數(shù)據(jù)密集型研究到細胞網(wǎng)絡模擬，生物學已經(jīng)顯示出巨大的計算需求，超級計算機將幫助尋找生命的秘密。2.4發(fā)現(xiàn)地球秘密：超級計算機在地球物理學中的應用涉及大量數(shù)據(jù)處理和模擬，如石油勘測問題，這類問題具有巨大的潛在經(jīng)濟效益。2.5發(fā)現(xiàn)宇宙秘密：超級計算機模擬是天體物理學的基礎，它可模擬時間進程并加速這種模擬進程，從而對天體的演變進行建模和理論試驗。2.6汽車設計：汽車設計需要綜合考慮空氣流體動力學、燃料消耗、結構設計、防撞性，以及乘坐者舒適度、噪音等多種因素，因此設計一款好車，必須借助超級計算機。2.7納米材料設計：在設計納米材料等新興材料時，對物質和能量的模擬是計算密集型的，只有超級計算機才能發(fā)現(xiàn)具有很高經(jīng)濟效益的物質和反應。2.8社會科學治理：使用超級計算機可以對影響社會健康和安全的過程和系統(tǒng)進行模擬，比如污染、災難以及針對本地和國家基礎設施進行的恐怖主義活動等。另外，宏觀經(jīng)濟、社會學等學科的研究同樣需要超級計算機，比如對大量人口的行為進行模擬3、超級計算機的技術發(fā)展一般認為，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)。1964年誕生的CDC6600被公認為世界上第一臺超級計算機，其運算速度為1Mflops.70年代初研制成功STAR-100向量機，這是世界上最早的向量機。隨后于1974年，誕生了世界上最早的SIMD陣列計算機--ILLIAC-IV并行機。1976年，CRAY公司推出CRAY-1向量機，開始了向量機的蓬勃發(fā)展，其峰值速度為0.1Gflops.向量機處理對提高計算機運算速度十分有利，有利于流水線的充分利用，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。就在傳統(tǒng)向量機逐漸萎縮的同時，應來了大規(guī)模并行處理MPP機蓬勃發(fā)展的時代。各種新技術層出不窮，大公司也紛紛介入。其中，1996年12月宣布的ASCIRED,運算速度超過了萬億次/秒。目前（2011年）新建的超級計算機大都使用機群式結構，只不過在具體采用的節(jié)點機型、拓撲結構及互連技術會有所不同。機群式超級計算機系統(tǒng)具有結構靈活、通用性強、安全性高、易于擴展、高可用性和高性價比等諸多優(yōu)點。4、超級計算機在各國的發(fā)展4.1中國在今年最新一期的全球超級計算機500強榜單中，中國進入榜單的超級計算機總數(shù)僅次于美國，名列亞軍，共有74臺超級計算機上榜，其中在超級計算機榜單前十名中，中國占了兩席，中國的'天河一號”排名第二，“星云”超級計算機排名第四。而在十年前的超級計算機500強榜單中，中國僅有三臺上榜，其中最快的一臺排名僅第150位，是中國農(nóng)業(yè)銀行運行的信貸管理系統(tǒng)。上世紀90年代初，中國的超級計算機幾乎全是進口產(chǎn)品，科研機構要在外國人的現(xiàn)場監(jiān)控下使用進口計算機。近年來，中國逐步探索出了一條適合國情的發(fā)展超級計算機的新路子，“中國制造”不斷縮小與發(fā)達國家的差距，在一些技術領域甚至處于世界領先地位。而近年來，中國的技術優(yōu)勢正在逐步顯現(xiàn)。2009年11月，500強中的中國超級計算機有21臺上榜，到了今年6月份，中國已經(jīng)有62臺超級計算機躋身全球500強，此次更是增加到了74臺?！疤旌右惶枴钡倪\算速度達到世界領先水平，其意義遠遠超過計算機本身，這意味著超級計算機被美日壟斷的局面已被打破，這是中國科技迅猛發(fā)展的重要標志。對我國來說，類似“天河一號”這樣的超級計算機，在消除我國安全威脅、提高我國產(chǎn)業(yè)的自主設計能力和核心競爭力等方面有不可替代的作用。美國《連線》雜志感慨稱：“這是一項非常了不起的成就?！敝袊売嬎銠C系統(tǒng)無論是在總數(shù)還是累計峰值運算能力上，都超過了德、日、法等傳統(tǒng)的超級計算機大國。超級計算機500強名單的操盤手、勞倫斯伯克利國家實驗室的高級科學家埃里克表示：“來自中國的超級計算機數(shù)量穩(wěn)步增加，系統(tǒng)的復雜性也在加深。1983年，中國第一臺被命名為“銀河”的億次巨型電子計算機歷經(jīng)5年研制在國防科技大學誕生。它的研制成功向全世界宣布：中國成了繼美、日等國之后，能夠獨立設計和制造巨型機的國家。1992年，國防科技大學研制出銀河一II通用并行巨型機，峰值速度達每秒10億次，主要用于中期天氣預報。1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心（后成立北京市曙光計算機公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標準UNIX操作系統(tǒng)設計開發(fā)的并行計算機。1995年，曙光公司又推出了曙光1000,峰值速度達每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機體系結構與實現(xiàn)技術相近，與國外的差距縮小到5年左右。1997年，國防科技大學研制成功銀河一III百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒130億次浮點運算。1997至1999年，曙光公司先后在市場上推出曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超級服務器，峰值計算速度突破每秒1000億次浮點運算。999年，國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威I計算機，峰值運算速度達每秒3840億次，在國家氣象中心投入使用。004年，由中科院計算所、曙光公司、上海超級計算中心三方共同研發(fā)制造的曙光4000A實現(xiàn)了每秒10萬億次運算速度。2008年，“深騰7000”是國內(nèi)第一個實際性能突破每秒百萬億次的異構機群系統(tǒng)，Linpack性能突破每秒106.5萬億次。2008年9月16日，曙光5000A在天津下線，實現(xiàn)峰值速度230萬億次、Linpack值180萬億次。作為面向國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重大需求的網(wǎng)格超級服務器，曙光5000A可以完成各種大規(guī)?？茖W工程計算、商務計算。2009年6月，5000A正式落戶上海超算中心。2009年10月29日，中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生。這臺計算機每秒1206萬億次的峰值速度和每秒563.1萬億次的Linpack實測性能，使中國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。2009年11月11日，中國擁有完全自主知識產(chǎn)權的千萬億次計算機“曙光6000”將于2010年問世。“曙光6000”將首次采用國產(chǎn)通用處理器龍芯。2009年11月17日，半年評選一次的全球超級計算機500強最新名單正式公布。由中國國防科技大學研制的“天河一號”超級計算機，這次以實測速度每秒563.1萬億次位列世界第五、亞洲第一，這也是中國超級計算機迄今在這一500強排行榜上獲得的最高名次?！疤旌右惶枴钡姆逯邓俣冗_到每秒1206.19萬億次，是中國首臺每秒運算速度超過千萬億次的超級計算機。2010年5月，具有自主知識產(chǎn)權的我國第一臺實測性能超千萬億次的“星云”超級計算機在曙光公司天津產(chǎn)業(yè)基地研制成功。5月31日，“星云”以Linpack值1271萬億次，在第35屆全球超級計算機五百強排名中，列第二位。6月1日，“星云”超級計算機系統(tǒng)正式發(fā)布。2010年9月，中國首臺國產(chǎn)千萬億次超級計算機一一“天河一號”的13排計算機柜全部安裝到位，計劃從9月開始進行系統(tǒng)調試與測試，并分步提交用戶使用。2010年11月16日，全球超級計算機500強排行榜（又稱T0P500）在美國新奧爾良會議中心正式揭曉，由中國國防科學技術大學研制的“天河一號”超級計算機排名第一，“天河一號”2010年在中國國家超級計算天津中心安裝部署，升級后的實測運算速度可達每秒2570萬億次。美國橡樹嶺國家實驗室的“美洲虎”超級計算機排名第二，中國曙光公司研制的“星云”高性能計算機位居第三。其他排名前十的超級計算機分別位于日本、法國、德國和美國。"2011年10月27日，國家超級計算濟南中心在濟南正式揭牌。這是中國首臺全部采用國產(chǎn)CPU和系統(tǒng)軟件構建的千萬億次計算機系統(tǒng)，標志著中國成為繼美國、日本之后能夠采用自主CPU構建千萬億次計算機的國家。國家超級計算濟南中心由山東省科學院建設、運營和維護，2011年3月開始建設，近期建成并投入運行。濟南中心裝配的神威藍光計算機系統(tǒng)，由國家并行計算機工程技術研究中心研制，系統(tǒng)采用萬萬億次架構，全機裝配8704片由國家高性能集成電路（上海）設計中心自主研發(fā)的“申威1600”處理器，峰位性能達到1.0706千萬億次浮點運算/秒，持續(xù)性能為0.796千萬億次浮點運算/秒，運行（LINPACK）效率達到74.4%，性能功耗比超過741百萬次浮點運算/秒?瓦，組裝密度和性能功耗比居世界先進水平，系統(tǒng)綜合水平處于當今世界先進行列。濟南中心全部采用國產(chǎn)CPU和系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了國家大型關鍵信息基礎設施核心技術的自主可控。目前，中國已經(jīng)建成天津、深圳、濟南三個千萬億次超級計算中心。2011年中國第一臺實測性能超千萬億次的超級計算機曙光“星云”11月16日將在國家超級計算深圳中心全面開通運行。4.2美國美國超級計算機一直處于世界前列，世界第一臺超級計算機是由美國制造，在最新公布的超級計算機前500名排名，美國進入榜單數(shù)位263臺，在前十和前五百強中都占據(jù)了半壁江山，遙遙領先于其他所有國家。而且美國目前正在積極構建超級計算機系統(tǒng)，其運算能力將會超越“天河一號”，這些正建造的超級計算機大多數(shù)都集中在美國。美國正在開發(fā)的一套名為“藍水”的計算機系統(tǒng)，使用的是IBM公司的Power7多核處理器，每秒持續(xù)運算速度能達1000兆次，最高可達10000兆次。此外，美國橡樹嶺國家實驗室正在研制內(nèi)置加速器的超級計算機，研制成功后計算能力有望達20千萬億次，預計在2012年研制完成，其速度將近“天河一號”10倍。4.3日本：在研發(fā)超級計算機方面，日本屬于起步較早的國家之一。自上個世紀90年代起，日本意識到超級計算機研發(fā)是提高其國際競爭力的重要一環(huán)，不斷推出和更新超級計算機的研發(fā)計劃。1999年，日本投入400億日元（約人民幣25億元），開始名為“地球模擬器”的超級計算機研發(fā)，旨在通過在計算機內(nèi)置“虛擬地球”預測及解析整個地球大氣、地殼、地震等活動為目的。2002年，“地球模擬器”成功推出，將一直獨占鰲頭的美國擠下了“頭把交椅”。之后，由于預算資金削減原因，日本超級計算機的研發(fā)目的發(fā)生了轉向，原由政府主導型的超級計算機研發(fā)政策，開始向產(chǎn)學一體化、為民生提供更多貢獻的方向發(fā)展。但是在2011年6月又日本富士通公司研發(fā)，日本理化學研究所組裝，并接受來自日本政府的資助的名為“京”的超級計算機以每秒8162萬億次運算速度成為全球最快的超級計算機，這是時隔7年，日本再回超級計算機榜單榜首。而在今年11月2日這款新型超級計算機”，成為了全球首款運算速度越過1萬萬億次大關的“超級運算機器”。4.4歐洲歐洲采取了“化零為整”的聯(lián)合手法，共同打造'超超級”計算機。2010年6月，投資數(shù)億歐元、有20個國家參與的連接多臺超級計算機、每秒速度達百萬兆次的超級計算機合作平臺計劃，在西班牙巴塞羅那啟動。此計劃旨在通過建立一個連接歐洲各種計算資源的基礎設施，增強歐洲的超級計算能力。2010年10月25日，法國原子能委員會舉行了大型計算中心揭幕儀式。大型計算中心坐落在法國北部的埃松省，總面積6500平方米，主要用途就是安放由歐洲多國共同研制的“居里”超級計算機，它可進行每秒超過1000萬億次的運算，相當于15萬臺筆記本電腦工作量的總和，將于今年年底正式投入運行。4.5俄羅斯2010年3月，俄羅斯方面透露，國立莫斯科大學正籌建一套最大性能超每秒千萬億次浮點運算的超級計算機，會殺進TOP500排行榜前三甲，甚至還有望拿下第二位。與此同時，2010年9月，俄羅斯還展示了最高密度Tesla超級計算機，號稱可實現(xiàn)全球最高的運算性能密度，在小空間內(nèi)實現(xiàn)萬億次計算解決了占地空間大、造價高等缺點。4.6印度目前，印度也是世界上為數(shù)不多幾個自主擁有超級計算機的國家，它以低廉的成本，研制出了高品質和具備高速運算能力的超級計算機。2007年，全球“超級計算機500強”排行榜中公布，印度首次有超級計算機打入世界第4位。盡管目前500強中印度只占有4席，但印度的IT產(chǎn)業(yè)為世界所稱道，它依然有強大的潛在實力再造佳績。今年5月份，印度計劃委員會本周已同意向印度空間研究組織和印度科學研究所撥款總計1000億盧比(約合23億美元)，以研制出運算速度達每秒百萬萬億次的超級計算機。5、超級計算機的最新排名1.KComputer首個跨越億億次運算的超級計算機世界上最快的超級計算機“京〃(KComputer)是日本RIKEN高級計算科學研究院(AICS)與富士通的聯(lián)合項目。"京〃(KComputer)沒有使用GPU加速，而是完全基于傳統(tǒng)處理器搭建?！熬?KComputer)的最大性能四倍于排在第二位的“天河一號〃?，F(xiàn)在的“京〃(KComputer)配備了88128顆富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心處理器，核心總量705024個，最大計算性能10.51Petaflop/s，峰值性能11.28038Petaflop/s，同時效率高達93.2%，總功耗為12659.9千瓦。2.天河一號

位于中國天津國家超級計算機中心的“天河一號系統(tǒng)〃在最新的排行榜中位列第。計算能力達到2.57petaflop/s。去年，天河一號還曾在TOP500排行榜中排名榜首。天河一號采用了CPU+GPU的混合架構。配有14336顆IntelXeonX56702.93GHz六核心處理器、7168塊NVIDIATeslaM2050高性能計算卡，以及2048顆我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000A核心處理器，總計20多萬顆處理器核心，同時還配有專有互聯(lián)網(wǎng)絡。造價在6億人民幣以上。3.JAGUARXT5用于民用的超級計算機“JAGUAR（美洲豹）〃超級計算機系統(tǒng)隸屬于美國能源部，坐落于美國橡樹嶺國家實驗室?！癑AGUARXT5”系統(tǒng)由美國國家科學基金會出資、Cray公司建造、田納西大學和國家計算科學研究院共同擁有。它曾在2010年6月的TOP500排行榜中排名第一?！癑AGUAR”是一臺民用計算機，采用AMDMagny-Cours核心六核Opteron處理器，其最大計算能力為1.75petaflop/s。主要用于模擬氣候變化、能源產(chǎn)生以及其他基礎科學的研究。4.曙光星云采用自主設計的HPP體系結構曙光星云高效能計算機系統(tǒng)DAWNINGNEBULAEHEne另ui恥“星云”坐落于我國深圳國家超級計算機中心。 “星云”系統(tǒng)運算峰值達到3petaflop/s，最大計算性能1.271petaflop/s，并且是中國第一臺、世界第三臺實現(xiàn)雙精度浮點計算超千萬億次的超級計算機，且其單位耗能所提供的性能達到了4.98億次/瓦?！靶窃啤背売嬎銠C采用自主設計的HPP體系結構，由4640個計算單元組成，采用了高效異構協(xié)同計算技術，系統(tǒng)包括了9280顆通用CPU和4640顆專用GPU組成。計算網(wǎng)絡采用了單向40GbpsQDRInfiniband技術，核心存儲采用了自主涉及的Parastor高速IO系統(tǒng)。5.Tsubame2.0加入多種新硬件技術

Tsubame2.0超級計算機是東京工業(yè)大學和NEC、HP聯(lián)合推出的。Tsubame2.0的速度是Tsubame1.0的30倍，這款超級計算機配置2816顆IntelWestmere處理器和4224顆NVIDIATeslaM2050GPU，并加入了DRAM和SSD等新硬件產(chǎn)品并采用Linux和Windows雙系統(tǒng)?，F(xiàn)在東京工業(yè)大學正著手制定Tsubame3.0的計劃。6.Cielo為國家級實驗室計算提供支持在西班牙語中Cielo是“6.Cielo為國家級實驗室計算提供支持在西班牙語中Cielo是“天空”的意思。Cielo現(xiàn)今為LosAlamos、Sandia以及Livermore三個國家級實驗室提供計算支持。Cielo超級計算機基于Cray公司下一代的Baker架構，并使用AMD最新的Magny-Cours架構處理器，計算節(jié)點方面Cielo則采用雙子星相互連接。7.Pleiades獨有的Lustre文件系統(tǒng)Pleiades超級計算機系統(tǒng)為位于美國加利福尼亞的NASAAmes研究中心提供計算支持。Pleiades由4核Harpertown和6核Westmere構成，內(nèi)核數(shù)為81920個。同時網(wǎng)絡連接架構使用infiniband方式。Pleiades的最大計算能力達到1.09petaflop/s。并使用了超級計算機特有的Lustre文件系統(tǒng)。8.HOPPER以海軍女少將命名的超級計算機HOPPER超級計算機系統(tǒng)是以美國海軍女少將GraceHopper的名字命名，GraceHopper也是軟件及編程語言的先驅者?，F(xiàn)今HOPPER位于勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心oHOPPER采用了CrayXE6系統(tǒng)單元，包含AMD十二核心的Opteron6172處理器，總共具備153408個內(nèi)核，最大運算能力達到了1.05petaflop/s。9.Tera-100歐洲大陸最強的超級計算機Tera-100是目前歐洲計算最強的超級計算機。Tera-100系統(tǒng)的理論峰值性能為1.25Petaflop/s，最大計算性能約為1Petaflop/s。Tera-100去年3月完成搭建，5月26日正式加電啟動。Tera-100由4300個bullxS系列服務器組成。系統(tǒng)部署了140000顆IntelXeon7500處理核心，內(nèi)部存儲器容量為300TB，外部存儲器容量達到了20PB，全局文件系統(tǒng)的吞吐量為500GB/S。Tera100將被用于法國核武器模擬項目。10.Roadrunner混合式超級計算機坐落于美國LosAlamos實驗室的Roadrunner超級計算機系統(tǒng)曾在2008年6月的TOP500排行榜名