1、超級計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀 與發(fā)展趨勢,目錄,一.什么是超級計(jì)算機(jī) 二.超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程回顧 三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 四.下一代的超級計(jì)算機(jī),序,處于信息技術(shù)前沿的超級計(jì)算機(jī)一直是一個(gè)國家的重要戰(zhàn)略資源,對國家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義.超級計(jì)算(SUPERCOMPUTING ) 、高性能計(jì)算( High Performance Computing, HPC )的話題在近兩年來是一年比一年熱,不僅是因?yàn)閲鴥?nèi)市場上曙光、聯(lián)想、浪潮等企業(yè)加大了投入和市場宣傳,使廣大用戶能有更多機(jī)會(huì)去了解這些深不可測的龐然大物;而從全球的發(fā)展趨勢中,高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(或超級計(jì)算系統(tǒng))角逐激烈,從萬億次(Teraf

2、lops)到十萬億次,甚至到千萬億次(peraflops),計(jì)算性能峰值的增長越來越快.,序,在傳統(tǒng)的氣象分析,石油勘探、核實(shí)驗(yàn)?zāi)M、蛋白質(zhì)折疊等超級計(jì)算應(yīng)用之外,我們還看到與我們生活息息相關(guān)的高性能計(jì)算應(yīng)用,包括汽車制造設(shè)計(jì),電影動(dòng)畫模擬,藥物研究及國家網(wǎng)格構(gòu)建.可毫不夸張地說,我們每一個(gè)人都在享受著高性能計(jì)算的直接或間接的服務(wù),一、什么是超級計(jì)算機(jī),根據(jù)美國能源部勞倫斯.伯克利國家實(shí)驗(yàn)室對超級計(jì)算機(jī)(HPC)的定義: HPC是由8個(gè)或更多的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，作為單個(gè)高性能機(jī)器工作的集群。 通俗地講，超級計(jì)算機(jī)就是能夠進(jìn)行大規(guī)模超速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。,二.超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程回顧 “巨型機(jī)之父”西

3、蒙.克雷,從真正意義上來說，研制出符合超級計(jì)算機(jī)定義產(chǎn)品的人應(yīng)是西蒙.克雷（S.Cray)博士,此人后來被西方稱為”巨型機(jī)之父”.1963年,他研制出世界上第一臺(tái)巨型機(jī)CDC6600,該共安裝了35萬個(gè)晶體管,運(yùn)算速度為1MFLOPS. 在這以后,巨型機(jī)走過了五代,即單芯片系統(tǒng)、向量處理系統(tǒng)、大規(guī)模并行處理(MPP)體系、共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)和機(jī)群系統(tǒng)(CLUSTER). 超級計(jì)算機(jī)的日漸火爆也吸引了軟件巨頭微軟. 最近微軟件表示他也要涉足HPC領(lǐng)域,已獨(dú)立成立了“高性能計(jì)算”部門,并計(jì)劃針對HPC開發(fā)一款”Windows Server HPC Edition”的新版本操作系統(tǒng).,超級計(jì)算機(jī)的五代,馮

4、.諾依曼體系超級計(jì)算機(jī)架構(gòu)圖,P,M,PPP PPP PPP,M,P,P,P,P,M,P,P,P,P,System Area Network,M,M,M,M,單處理器架構(gòu),向量處理器架構(gòu),共享內(nèi)存多處理器架構(gòu),分布內(nèi)存多處理器架構(gòu),關(guān)于機(jī)群(CLUSTER)架構(gòu),根據(jù)TOP500官方網(wǎng)站的資料統(tǒng)計(jì),在榮登榜名的系統(tǒng)中,有320套使用INTEL的處理器,54套使用IBM POWER處理器,48套采用HP PA-RISC, 采用AMD處理器的有31套. 在TOP500中,有296套系統(tǒng)采用了機(jī)群系統(tǒng).占了49.8%.在前10名的系統(tǒng)中,機(jī)群系統(tǒng)占了7個(gè). 機(jī)群系統(tǒng)采用普通商業(yè)芯片和內(nèi)連技術(shù).,關(guān)于

5、機(jī)群(CLUSTER)架構(gòu),機(jī)群架構(gòu)脫胎于早年的大規(guī)模并行處理(MPP, Massive Parallel Processing ).它大受青睞的原因是其經(jīng)濟(jì)性和公開性,與MPP不同之處是,它一般采用廉價(jià)的普通服務(wù)器為運(yùn)算節(jié)點(diǎn),小規(guī)模的系統(tǒng)一般用以太網(wǎng)內(nèi)連,外加免費(fèi)公開的操作系統(tǒng)LIUNX和并行編程接口MPI. 使超級計(jì)算機(jī)的造價(jià)告別了天文數(shù)字,應(yīng)用足跡也能涉足千家萬戶. 但因機(jī)群系統(tǒng)大量使用IA服務(wù)器,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,其耗能和散熱問題嚴(yán)重,可管性和可用性和可持續(xù)運(yùn)算能力大大降低.按目前技術(shù)水平,很難做到一萬個(gè)節(jié)點(diǎn)以上.,聯(lián)想“深騰6800”超級計(jì)算機(jī),聯(lián)想“深騰6800”超級計(jì)算機(jī),是國家

6、“863”高科技計(jì)劃設(shè)立的“高性能計(jì)算機(jī)及核心軟件”重大專項(xiàng)中“面向網(wǎng)格的高性能計(jì)算機(jī)”課題項(xiàng)目,于2003年11月研制成功,名列第22屆TOP排列榜的第14名.它包括256個(gè)四路結(jié)點(diǎn)機(jī), 1060個(gè)主頻為1.3G的安騰2處理器芯片,內(nèi)存總?cè)萘?.6TB,磁盤容量80TB.其高速網(wǎng)絡(luò)是Quadrics公司的產(chǎn)品QsNet,點(diǎn)對點(diǎn)通信帶寬300MB,峰值浮運(yùn)算速度5.324萬億次. 聯(lián)想“深騰6800”超級計(jì)算機(jī)已成功用于天氣預(yù)報(bào),石油地震資料處理,核能開發(fā)應(yīng)用,計(jì)算流體力學(xué),基因與蛋白分析和材料科學(xué)等20多項(xiàng)應(yīng)用.,全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)前14名排名,排名 安放地點(diǎn) 超級計(jì)算機(jī) / 制造公司

7、1 日本NEC公司 地球模擬器,65萬億次/秒 2 美Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室 ASCI Q-AlphaServer(惠普) 3 美維吉尼亞理工大學(xué) X(維吉尼亞理工大學(xué)) 4 美國家超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用中心 Tungsten(戴爾) 5 美西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室 Mpp2(惠普) 6 美Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室 Lightning(Linux NetworX) 7 美勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 MCR LinuxCluster Xeon 2.4GHz 8 美勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 ASCI White(IBM) 9 美能源部超級計(jì)算中心 Seaborg(IBM) 10 美勞倫斯利弗莫爾國

8、家實(shí)驗(yàn)室 XseriesClusterXeon 2.4GHZ(IBM) 11 日本宇宙航空研究實(shí)驗(yàn)室 PRIMEPOWER(富士通) 12 美匹茲堡超級運(yùn)算中心 AlphaServer SC46 (惠普) 13 美國國家大氣研究中心 Pseries 690 Turbo 1.3GHz(IBM) 14 中國科學(xué)院 深騰6800(聯(lián)想),4萬億次/秒,(2003.11),詳見,TOP100和TOP500,從1992年開始,美國在杰克.唐加拉(Jack Dongarra)教授等人的發(fā)起下,開始用Linkpack線性代數(shù)方程包對各種超級計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)行測試,并將測試結(jié)果按速率大小排名,這就形成了全球TO

9、P500超級計(jì)算機(jī)的排名,每半年排一次,分別于當(dāng)年6月的德國和11月在美國舉行的全球超級計(jì)算大會(huì)上發(fā)布. 我國從2002年起,在孫家昶教授帶領(lǐng)下,也開始了每年一度對中國的TOP50,TOP100高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行排名,也用Linkpack實(shí)測值為依據(jù)進(jìn)行排名.用注:Linkpack是廣泛使用的測試超級計(jì)算機(jī)綜合性能的基準(zhǔn)程序,主要是解一個(gè)N元N次的線性代數(shù)方程組,它的計(jì)算主要集中在CPU的處理上.,排名世界第十的曙光4000A,2004年11月,世界排名第十的曙光4000A在上海啟用,運(yùn)算速度高達(dá)10萬億次/秒.該機(jī)屬集群式超級計(jì)算機(jī),是由AMD公司與曙光信息產(chǎn)業(yè)有限公司聯(lián)合開發(fā),它采用超過

10、2000顆64位的AMD Opteron 800系列處理器,運(yùn)算速度高達(dá)10萬億次/秒,內(nèi)存容量超過2TB,內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)速度將超過2Gb/s,機(jī)器的規(guī)模面積達(dá)四分之一足球場大小.,曙光4000A,曙光是中國超級計(jì)算機(jī)的鼻祖.是中科院計(jì)算所國家智能計(jì)算機(jī)研究開發(fā)中心與曙光公司聯(lián)合開發(fā)的.面向網(wǎng)格的超級計(jì)算機(jī)項(xiàng)目.首先面世的4000L由40個(gè)機(jī)柜組成,644個(gè)CPU,峰值浮運(yùn)算速度3萬億次/秒,644GB內(nèi)存,100TB磁盤. 去年6月,世界排名第十的曙光4000A在上海啟用,運(yùn)算速度高達(dá)10萬億次/秒.目前已成功運(yùn)行證券指數(shù)計(jì)算,電力安全評估,建筑工程抗震性評估和汽車碰撞等領(lǐng)域的20多項(xiàng)應(yīng)用.,中國

11、TOP100應(yīng)用領(lǐng)域分布 (信息來源:中國軟件行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)學(xué)軟件分會(huì)),氣象,2,2,155.5,265.6,50,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,目前對于超級計(jì)算機(jī)需求飛速增長的行業(yè)主要是在生物信息學(xué)方面.傳統(tǒng)行業(yè),如能源(石油,核技術(shù)) 、空氣動(dòng)力學(xué)、戰(zhàn)略武器的研發(fā)方面仍有較強(qiáng)的需求. 1.超級計(jì)算機(jī)在航天飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 (1)科學(xué)計(jì)算:要完成目前風(fēng)洞試驗(yàn)無法進(jìn)行的課題.如風(fēng)洞試驗(yàn)的馬赫數(shù)比實(shí)際飛行的低,就要靠數(shù)值方法來補(bǔ)推,還有上百成千個(gè)彈道計(jì)算也要全靠計(jì)算機(jī)完成. (2)數(shù)據(jù)庫建設(shè):用于改進(jìn)設(shè)計(jì)的定量分析和新飛行器的定量分析,大大縮短飛行器的設(shè)計(jì)周期,減少風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù). (3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì):

12、如波音757飛機(jī),幾乎所有的空氣動(dòng)力方面的設(shè)計(jì)都用計(jì)算機(jī). (4)計(jì)算機(jī)仿真:用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際飛行和對抗.據(jù)權(quán)威人士介紹,要用計(jì)算機(jī)代替風(fēng)洞進(jìn)行數(shù)值模擬,需要具有1000MB的內(nèi)存容量,10101011次/秒的計(jì)算機(jī).,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,2.在地震勘探中的應(yīng)用 (1)地震勘探:地球物理勘探是對地下作間接的測量,弄清地質(zhì)構(gòu)造,尋找碳?xì)浠衔?在地震勘探中,用可控方法產(chǎn)生彈性波場(可近似看作為聲波),傳入地下,因地下介質(zhì)的非均勻性,被散射到地面檢波器陣列,記錄在磁帶上.地面檢波器陣列一般有481024個(gè)檢波器,每個(gè)檢波器每12毫秒記錄一個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)16位,記錄時(shí)間長度為315秒,因此,每

13、個(gè)記錄長度達(dá)24萬7200萬字節(jié). (2)地震數(shù)據(jù)處理:是一個(gè)十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程,一般地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)均包含200300個(gè)應(yīng)用程序,每個(gè)應(yīng)用程序包含幾千行至幾萬行FORTRAN源語句,計(jì)算量很大.,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,(3)向量處理:地球物理中,許多算法可向量化. (4)并行處理: (5)輸入/出:用于地震數(shù)據(jù)的匯集,處理和存儲(chǔ). 下面幾個(gè)領(lǐng)域,只有超級計(jì)算機(jī)才能勝任: 交互地震處理 三維地震處理 迭前三維偏移 彈性波模型,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,3.在油藏?cái)?shù)值模擬中的應(yīng)用 油藏?cái)?shù)值模擬是根據(jù)達(dá)西定律和物質(zhì)守恒定律原理把復(fù)雜的物理現(xiàn)象抽象成數(shù)學(xué)問題,然后求該數(shù)學(xué)問題的解,以便定量地研究不同

14、巖石和不同油、氣流，在不同開采方式下，油、氣、水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 油藏?cái)?shù)值模擬的數(shù)學(xué)問題是一個(gè)偏微分方程組,解偏微分方程組大多用有限差分法進(jìn)行離散化,然后解非線性的代數(shù)方程組,這需內(nèi)存容量大,運(yùn)算速度快的計(jì)算機(jī).在油藏?cái)?shù)值模擬軟件中大量使用線性和非線性的插值技術(shù),當(dāng)這段程序向量化后,處理效率可大大提高.,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,在油藏?cái)?shù)值模擬軟件中,另一個(gè)問題是解大型稀疏線性方程組,約占整個(gè)運(yùn)算時(shí)間的6080%,這部分程序經(jīng)向量化后,也大大提高了軟件的處理效率.,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,4.在石油勘探中的應(yīng)用 中國大慶油田有限責(zé)任公司每年能開采大約5000萬噸原油,是全球領(lǐng)先的石油和天然氣生產(chǎn)商之一.

15、2002年大慶在石油和天然氣探測方面投入1.8億美元.公司采用了129臺(tái)基于英特爾至強(qiáng)(XEON)處理器的雙路聯(lián)想系統(tǒng).,配置了paradig公司的先進(jìn)軟件.大慶預(yù)計(jì)與專有超級計(jì)算機(jī)解決方案相比可節(jié)省70%的成本.2002年,在中國黑龍江省發(fā)現(xiàn)了擁有300億立方米的天然氣儲(chǔ)量.,三.超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,5.在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 當(dāng)代衡量一個(gè)國家氣象業(yè)務(wù)發(fā)展水平,從設(shè)備上主要看兩項(xiàng):巨型計(jì)算機(jī)和氣象衛(wèi)星. 現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)是在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)展起來的,最初是天氣圖的主觀預(yù)報(bào),從上世紀(jì)50年代開始,出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)制作數(shù)值天氣預(yù)報(bào).現(xiàn)被公認(rèn)為最好的天氣預(yù)報(bào)方法.早期計(jì)算機(jī)只能做短期(3天)預(yù)報(bào),目前用超級計(jì)算機(jī)可做中期(3天2周)的天氣預(yù)報(bào). (1)中期天氣預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型: 根據(jù)初始時(shí)刻的大氣狀態(tài),即三維的運(yùn)動(dòng)速度u,v,w和大氣溫度T、水汽q及大氣密度,求解下列微分方程組:,u u u u t x y p x u u u u t x y p y u u u x y p p dT