高性能計算機技術(shù)展望-中國力學(xué)學(xué)會

1、高效能計算機技術(shù)展望桂亞東上海超級計算中心上海201203ydgui摘要本文是有關(guān)高效能計算機技術(shù)和發(fā)展趨勢的綜述性文章。通過分析科學(xué)和工程領(lǐng)域越來越旺盛的需求，介紹國內(nèi)外高效能計算機研制的狀況；通過剖析多核處理器產(chǎn)生的背景和性能提升的原因，分析多核處理器對高效能計算機的影響；通過解讀高效能計算機的四個要素，指出高效能計算機面臨的多種挑戰(zhàn)，歸納了部分解決的思路。關(guān)鍵詞： 高效能計算機多核處理器高性能可編程性可移植性魯棒性幾十年來，我們一直用高性能計算機這個詞來概括運算速度高的一類計算機，用Linpack 來評價機器的效率。這只是考慮了運算性能一個方面。這幾年出現(xiàn)的一個新詞高效能計算機（High

2、 Productivity Computing System）則概括了高性能、可編程性、程序可移植性與魯棒性 4 個基本要素，即在追求高的運算速度的前提下，強調(diào)系統(tǒng)的程序開發(fā)、部署和移植的方便性，強調(diào)系統(tǒng)的健壯程度和容錯能力，強調(diào)用戶能感受到的系統(tǒng)運行的整體效率。本文使用高效能計算機一詞，以與國家863 十一五重大項目“高效能計算機及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”相呼應(yīng)。一、對高效能計算機的需求越來越旺盛科學(xué)和工程領(lǐng)域?qū)Ω咝苡嬎阌罒o休止的需求是驅(qū)動高效能計算機發(fā)展的動力。從能源方面看，如何解決能源問題是全球各國非常關(guān)注的問題，尤其是高效能計算機有可能幫助社會解決一些問題。比如等離子物理學(xué)里面的核聚變研究，高

3、效能計算機的作用是在電站的發(fā)電設(shè)備建造之前對反應(yīng)過程進行大規(guī)模的模擬，是未來利用核聚變能量的關(guān)鍵，綜合計算機能力將增長100010000倍，既需要1100Pflops的計算機。在生存環(huán)境方面，跟大眾日常生活相關(guān)的有氣候模擬。高效能計算機可以模擬整個地球生存環(huán)境，來預(yù)測未來人類生存的環(huán)境。有的科學(xué)家對地球環(huán)境比較悲觀，因為人類的發(fā)展使得我們的生存環(huán)境越來越惡劣。一百年或者更長的時間地球的環(huán)境會怎樣，能不能對它進行模擬，這是千萬億次計算機發(fā)揮作用的地方。未來510 年，有效的模擬計算能力需要增長1001000倍；對計算能力增長的最終需求至少為當前的10 億倍。在交通運輸方面，高效能計算解決的主要問

4、題包括安全性、噪音、振動、粗糙度、耐久性、氣流和熱傳輸。這些問題需要幾小時到幾周的時間解決，至少需要在今天的計算能力的基礎(chǔ)上提高7 個數(shù)量級，也就是1000Exaflops。對地震的計算模擬結(jié)果表明，人類有望預(yù)測地震的發(fā)生，從而減輕地震帶來的危險，未來處理地震數(shù)據(jù)所需的計算資源大約為1000Pflops 。在人類認知方面，比如天體物理學(xué)，利用高效能計算機進行模擬是研究天體物理的基本手段。傳統(tǒng)上，該領(lǐng)域中的受控實驗非常少，甚至不太可能有受控實驗，但計算機模擬可以使受控實驗成為可能。幾百年、幾千年或者更長時間的天體演變可以通過計算機來對進行模擬，這樣就節(jié)省了大量的時間。未來這一領(lǐng)域需要110Pfl

5、ops的計算能力。目前，1這樣的能力可以應(yīng)用于銀河系形成的模擬、行星形成的模擬等。更為重要的應(yīng)用領(lǐng)域是國家安全。國家安全是各國政府密切關(guān)注的，首先是核模擬和核武庫管理，核模擬過程已經(jīng)從二維模型和解決方案向三維模型和解決方案演變，需要計算資源增長1000 倍以上。信號情報方面計算機主要有兩個用途，情報處理和情報分析，該領(lǐng)域?qū)τ嬎隳芰Φ男枨笫菬o止境的，計算機速度越快越好。計算模擬在工業(yè)中的應(yīng)用隨處可見， 它在材料設(shè)計、 制造和生產(chǎn)過程中起到一個實質(zhì)性作用， 為了確保產(chǎn)品的可靠性、質(zhì)量和節(jié)約成本，計算模擬被越來越多地用來取代實物試驗。隨著各種計算方法的成熟，例如多尺度方法的應(yīng)用，工業(yè)界在提高產(chǎn)品性能

6、方面更多地依賴于計算模擬技術(shù)的應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C速度的需求是永無止境。二、高效能計算機的發(fā)展狀況表 1列出了 2006 年 11 月世界上最快的 5 臺高效能計算機。（8 月開會時將替換為新的）表 12006 年 11 月 TOP5 超級計算機排名安裝地點 / 時間系統(tǒng)名稱 / 處理器數(shù)量 / 制造商實測性能（ GF）峰值性能（ GF）勞倫斯利弗莫爾國家實驗室藍色基因 /L2806001eServer Blue Gene Solution/131072美國 /2005 年367000IBM 公司紅色風(fēng)暴（新）2圣地亞國家實驗室Sandia/ Cray Red Storm, Opteron2

7、.4101400美國 /2006 年GHz dual core/26544127411Cray 公司IBM 華生研究中心BGW912903eServer Blue Gene Solution/40960美國 /2006 年114688IBM 公司勞倫斯利弗莫爾國家實驗室ASC紫色757604美國 /2006 年eServer pSeries p5 575 1.9 GHz/12208IBM 公司92781MareNostrum5巴塞羅那超級計算中心BladeCenter JS21 Cluster, PPC 970,62630西班牙 /20062.3 GHz, Myrinet/1024094208

8、IBM 公司高效能計算機發(fā)展的速度可以這樣來描述，每半年發(fā)布的TOP500 有 40 左右（有時50 ）在半年后會被淘汰出局。當前美日等發(fā)達國家爭相研制千萬億次高效能計算機。世界上第一臺專用千萬億次計算機已經(jīng)于2006 年 6 月出現(xiàn)，由日本理化所、日本SGI 、美國 Intel 公司共同研發(fā)，這臺MDGRAPE-3系統(tǒng)主要為天文模擬以及分子動力學(xué)模擬提供高精度N-體計算。它是基于通用服務(wù)器的機群結(jié)構(gòu)，201 個運算結(jié)點， 每個結(jié)點帶有24 個為分子動力學(xué)開發(fā)的專用芯片。由于其專用機身份，無法運行Linpack 基準測試程序，因而無法進入TOP500 行列。IBM 公司從1999 年開始實施藍

9、色基因（BlueGene ）計劃，旨在研發(fā)千萬億次計算機2解決生命科學(xué)中的分子模擬問題。藍色基因 /L 系統(tǒng)自 2004 年 11 月開始已經(jīng)在TOP500 中連續(xù) 3 年占據(jù)榜首位置，目前峰值性能367 萬億次，持續(xù)性能280 萬億次。根據(jù)該計劃，藍色基因 /P 系統(tǒng)的峰值 /持續(xù)性能為1Pflops/0.3Pflops， 2007 年推出。藍色基因/Q 系統(tǒng)峰值/ 持續(xù)性能為 3Pflops/1Pflops ， 2008 年推出。美國國防部的HPCS 計劃從 2003 年開始資助 IBM 、Cray 、 SUN 公司進行千萬億次計算機的研制，投資7.25 億美元。該項目經(jīng)歷了關(guān)鍵技術(shù)和原型

10、系統(tǒng)兩個階段后，已經(jīng)進入最后階段 2010 年前完成兩臺千萬億次高生產(chǎn)率計算機系統(tǒng)的研發(fā)。IBMPERCS 系統(tǒng)和 Cray 的 Cascade 系統(tǒng)分別獲得2.5億美元和2.44 億美元資助，用以研制可擴展至Pflops 的超級計算機，并形成產(chǎn)品。IBM PERCS系統(tǒng)基于 Power7微處理器、 AIX 操作系統(tǒng)、通用并行文件系統(tǒng)(GPFS) 、IBM 并行計算環(huán)境及互聯(lián)和存儲子系統(tǒng)進行開發(fā)。在該系統(tǒng)中IBM 同時計劃開發(fā)高效用軟件和開發(fā)工具，以提高開發(fā)人員的生產(chǎn)率。Cray Cascade 系統(tǒng)本質(zhì)上是一個能在單系統(tǒng)中提供包括標量、FPGA和混合矢量 /超級多線程 (MMT) 處理器板卡

11、的機箱內(nèi)集群(cluster-in-a-box)。在該系統(tǒng)中， Cray將設(shè)計一款基于其 XD1 系統(tǒng)的 FPGA 加速板卡。Cascade 系統(tǒng)將開發(fā)編譯器軟件以處理多種涉及標量、矢量或 MMT 應(yīng)用的混合任務(wù)。在未來四年中，Cray 將基于 Cascade 系統(tǒng)研發(fā)商品化的千萬億次超級計算機， 如為美國國家橡樹嶺實驗室( )開發(fā)代號為“ Baker ”的超級計算機系統(tǒng)?！?Baker ”超級計算機預(yù)計采用四路雙核AMDOpteron處理器（ 24000 個處理器），基于 Cray專用 SeaStar 3D互連網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和AMD HyperTransport總線互聯(lián)。美國能源部已經(jīng)選定 IBM

12、公司設(shè)計并建造基于Cell 處理器的超級計算機。該系統(tǒng)將采用新的、高度復(fù)雜的軟件， 來管理超過 16000個 AMD Opteron處理器和超過16000 個 CellBE 處理器，從而能夠有效地解決當今計算領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問題。該機將擁有1.6Pflops的峰值性能，持續(xù)速度能夠達到1Pflops以上。占地面積僅為12000 平方英尺（約三個籃球場大?。?，預(yù)計2008 年完成。目前，日本已有五個千萬億次超級計算機研發(fā)計劃：除了已經(jīng)完成的MDGRAPE-3計劃外，另有 GRAPE-DR 計劃， 2008年完成。文部省的MEXT 計劃以 1000億日元支持NEC 、日立、東京大學(xué)等研發(fā)10 Pf

13、lops的系統(tǒng)， 2011 年完成。富士通公司投入500 億日元研發(fā)一臺 3 Pflops 的系統(tǒng)， 該系統(tǒng)以更少更強的處理器來構(gòu)建，2010年完成。 每塊處理芯片上具有個處理器， 達到 100Gflops的性能。升級后的地球模擬器將達到16 Pflops 的指標。該系統(tǒng)將采用兩種計算模式，粗略計算和精確計算，以實現(xiàn)更高的并行計算效率。法國 Bull 公司也計劃在 2013 年開發(fā)出千萬億次超級計算機系統(tǒng)，用于一項法國軍事項目。我國在這方面的投入和產(chǎn)生的效果也非常明顯。從五年前我國在這個領(lǐng)域默默無聞，到現(xiàn)在已經(jīng)排名到世界前五名。863 計劃信息技術(shù)領(lǐng)域圍繞國家重大工程、重大行業(yè)應(yīng)用和經(jīng)濟發(fā)展迫

14、切需求，設(shè)立了 “高效能計算機及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境”重大項目，這也就使我國進入千萬億次機研究行列。 擬在 2008年 6 月完成兩臺用于科學(xué)工程計算、網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的 100 Tflops高效能計算機系統(tǒng)， 并在 2010年最終實現(xiàn)中國的1Pflops高效能計算機系統(tǒng)。三、多核 CPU 對高效能計算機產(chǎn)生重大影響1. CPU 進入多核時代CPU 一直以摩爾定律的速度在發(fā)展，正是CPU 速度的不斷提高帶來計算機性能的持續(xù)飛躍。在集成電路工藝進步的前提下， CPU 性能提高的途徑主要是依靠頻率的提高和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。31971 年第一款 CPU Intel 4004 問世時，晶體管數(shù)只有 23

15、00 個，頻率 108KHz 。今天，一款 4 核處理器 Intel Core 2 達到 8.2 億晶體管，頻率最高的 CPU 達到 4GHz 。但是頻率的繼續(xù)提高遇到了難以克服的功耗問題，于是轉(zhuǎn)向多核處理器的開發(fā)。多核處理器將成為今后CPU 的主流。從目前所能看到的，摩爾定律直到2020 年仍將是有效的。為什么多核處理器在降低頻率、不增加功耗的前提下還能提升性能呢？由于頻率降低能明顯的降低功耗，而對性能的影響有限，從表2 可以看出，當頻率降低20 并采用雙核時，功耗基本不變，性能卻能提升73 。表 2CPU 頻率、性能、功耗三者的關(guān)系頻率功耗性能以單核 CPU 為基準111頻率提升20 1.

16、21.731.13頻率降低20 0.80.510.87頻率降低20 雙核0.81.021.73當前多核處理器分為兩種，一種是同構(gòu)多核處理器，在一個芯片中集成了多個相同的處理器核，面向通用應(yīng)用。這類多核處理器繼2006 年雙核之后， 2007 年以 4 核處理器為主流。另一種是異構(gòu)多核處理器，一個通用主核和若干異構(gòu)從核集成起來，面向一定的應(yīng)用領(lǐng)域，較之專用處理器有寬泛的應(yīng)用范圍。例如，Cell 處理器是由IBM 、東芝、索尼三家共同開發(fā)的新一代處理器產(chǎn)品，結(jié)合1 個 IBM 64 位 PowerPC微處理器核心與8 個協(xié)同運算處理器（ SPE ）所構(gòu)成，具備強大的浮點數(shù)運算性能，應(yīng)用于PS3 游

17、戲機、醫(yī)學(xué)影像處理、 3D 電腦圖形、影音多媒體與科學(xué)運算等領(lǐng)域。目前，IBM 正在建造基于Cell 處理器和 AMDOpteron處理器的千萬億次計算機。按照其產(chǎn)品規(guī)劃，2007 年達到 16 核， 2009年 32 核， 2011 年 64 核， 2013 年 128 核。多核的最新成果是 06 年 9 月 Intel 公司發(fā)布的 80 核處理器，耗電僅 62 瓦。這款處理器不僅運算速度達到 1Tflops ，而且訪存帶寬達到 1TB/s ，加上 1Tb/s 的光互連帶寬，真正的桌面式萬億次機將成為幾年后垂手可得的產(chǎn)品。與此同時，06 年底專用多核處理器達到512 核，這是 Alchip

18、技術(shù)公司為日本正在研制中的2Pflops GRAPE-DR專用機研制的芯片。2. 多核 CPU 對高效能計算機的影響多核 CPU 對高效能計算機總體的影響應(yīng)該是積極的，有助于以較低的功耗和較少的芯片構(gòu)建更高效能的系統(tǒng)。但是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件方面，目前還有許多事情沒有跟上多核的出現(xiàn)。多核對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響多核增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次。 過去的層次是 CPU 芯片運算結(jié)點系統(tǒng)， 現(xiàn)在是 CPU 核 CPU 芯片運算結(jié)點系統(tǒng)，造成核間通信在芯片內(nèi)與芯片間是不相等的。其次由于多核芯片目前有真多核和假多核之說，主要是指除了運算核以外的其他資源（如二級Cache ）是否真正共享。 這些結(jié)構(gòu)上的不同雖然應(yīng)用層都

19、看不見，但直接和間接的影響著性能。多核的出現(xiàn)鼓勵高效能計算機研發(fā)人員要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面大膽創(chuàng)新。多核帶動多線程開發(fā)2007 年是多核普及的年代。多核對應(yīng)用的影響成為最為關(guān)注的一個焦點。多核普及時代的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，多核處理器對多線程軟件開發(fā)帶來一個大的機遇與挑戰(zhàn)，只有多線程的軟件與多核處理器硬件配合，才能為用戶提供更好的應(yīng)用環(huán)境。另一方面，多核普及將使用戶使用電腦的方式發(fā)生改變，同時運行多種應(yīng)用將成為現(xiàn)實。4四、高效能計算機面臨的挑戰(zhàn)構(gòu)建千萬億次高效能計算機，要把現(xiàn)在 PC 的運算速度提高 100 萬倍。首先是功耗、研制和運行成本能否承擔得起。 其次是用 100 萬顆 CPU 放

20、在一起實現(xiàn)這樣的速度， 其可靠性如何。第三， 100 萬個單元之間進行數(shù)據(jù)傳遞和同步，實際能達到的效果怎樣。最后，像千萬億次計算機這樣大的設(shè)備，投入大，消耗大，用戶最終能否得到相應(yīng)的收益。面臨的挑戰(zhàn)眾多，我們挑選關(guān)鍵的幾個問題來加以闡述。1. 功耗、體積和低成本問題功耗、體積和成本是千萬億次機系統(tǒng)設(shè)計碰到的最大問題，也是投入運行后最棘手的問題。在芯片級，除了 Intel 80 核芯片外， Clearspeed 芯片是另一個好的例子。芯片中集成了 96 個 PE ，完成 64 位浮點操作的持續(xù)性能達到 25Gflops ，用 250MHz 的較低頻率使功耗控制在 10W 。從系統(tǒng)級來看，盡管多核

21、的出現(xiàn)有助于減少功耗和提高效能，但千萬億次系統(tǒng)決不是簡單的堆砌。系統(tǒng)設(shè)計上，性能價格比的設(shè)計觀念要轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅苣芎谋鹊挠^念，即投入的單位能耗所能換取來的性能， Gflops/W 。按照目前的技術(shù)手段，千萬億次系統(tǒng)的功耗會達到數(shù)兆瓦甚至十幾兆瓦，這對系統(tǒng)的供電、冷卻、環(huán)境空調(diào)提出了巨大的挑戰(zhàn)。不僅要重視計算機的額定功耗，而且更要重視運行應(yīng)用時的功耗?，F(xiàn)在，多核處理器在內(nèi)部增加了節(jié)電功能，在部件和系統(tǒng)層次也要深入尋求降低功耗的技術(shù)，使得系統(tǒng)的運行成本控制在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研發(fā)千萬億次高效能計算機，必須在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有所突破。首先，對通用和專用的問題要有清醒的認識。應(yīng)用本身的

22、特征要求有相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與之配合才能得到高的運行效率。計算機規(guī)模越大，運行應(yīng)用時的效率就越低?？紤]性能成本等諸因素，我們不可能造出一臺包打天下的千萬億次機。因此，考慮適當?shù)膽?yīng)用面向性是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。藍色基因系統(tǒng)、地球模擬器、蛋白質(zhì)探索者都不是通用計算機，它們只是在一類或幾類應(yīng)用領(lǐng)域里才表現(xiàn)出卓越的性能。其次，同構(gòu)和異構(gòu)的問題是另一個關(guān)鍵問題。綜合考慮功耗性能成本以及應(yīng)用需求等因素，異構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)該引起我們足夠的重視，很可能成為高效能計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新趨勢。異構(gòu)可以在芯片級、結(jié)點級和系統(tǒng)級上實現(xiàn)。芯片級的例子有Cell 、 CSX600等。結(jié)點級可以采用主從結(jié)構(gòu)，用FPGA 或?qū)Ｓ眉铀俨考閼?yīng)

23、用中的計算密集部分提供加速。系統(tǒng)級將多種不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大系統(tǒng)通過高速互連網(wǎng)絡(luò)連接起來，以通用處理器適應(yīng)不同領(lǐng)域的各種應(yīng)用需求，以異構(gòu)多核處理器面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的計算需求，通用與專用的結(jié)合構(gòu)成新的多態(tài)復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建千萬億次機的一種新方式。平衡性設(shè)計是另一個不容忽視的問題。例如存儲墻問題一直是困擾系統(tǒng)設(shè)計者的大問題。在多核時代，存儲墻問題更加突出。存儲器性能與處理器性能差距越來越大，以及本地延遲和遠程延遲不一致性，導(dǎo)致存儲器供數(shù)能力與處理器計算能力嚴重不協(xié)調(diào)。需要對應(yīng)用的時間局部性和空間局部性進行認真分析，獲得折中的選擇。 我們也高興的注意到， IBM和 Intel 公司都在從工藝角度為某些

24、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題提供解決方案。IBM 公司 07 年 4 月宣布了一項突破性的芯片堆垛 （ chip-stacking ）制造技術(shù)， 使芯片布局從平面二維形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體形式。也就是說， CPU 芯片和存儲芯片由傳統(tǒng)在硅晶片上的并列擺放轉(zhuǎn)變?yōu)閷盈B式擺放。芯片層疊起來的結(jié)果就是封裝的體積大大縮小，從而極大地加快了數(shù)據(jù)在芯片功能部件間的傳輸速度。53. 編譯技術(shù)和并行編程模型基于多核處理器的千萬億次機對編譯技術(shù)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。并行編譯器的研究與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是相輔相成的。當多核結(jié)構(gòu)不太明朗時，編譯器研究不是等待，而是必須設(shè)計多種假定方案，通過與模擬試驗相結(jié)合為多核設(shè)計提供方向性指導(dǎo)。編譯器針對同構(gòu)

25、多核和異構(gòu)多核處理器，要研究的問題側(cè)重點也是不相同的。由于同構(gòu)多核都是運行在較低的頻率下，程序的串行部分更容易成為瓶頸。我們更希望串行部分運行在高頻率的主核上，異構(gòu)多核提供了較好的選擇。對于異構(gòu)多核處理器，編譯器面臨的主要優(yōu)化問題是決定主核上執(zhí)行哪些運算，多個輔核上執(zhí)行哪些運算。異構(gòu)多核也使并行處理的運行模式復(fù)雜化。以 IBM Cell 處理器為例， 面對一主八從結(jié)構(gòu)， 采用主 / 從式協(xié)同處理是一種自然的處理模式。而從核之間既可以選擇 SIMD 方式運行，也可以選擇 MIMD 方式運行。如果程序員難以確定并行運行模式，就需要編譯器進行分析和評估，作出指導(dǎo)性建議。并行編程模型在多核時代同樣遇到

26、了艱難的挑戰(zhàn)。由于單純靠編譯器把串行程序自動轉(zhuǎn)成并行程序是不太現(xiàn)實的事情。十多年來，OpenMP和 MPI 逐步發(fā)展成分別針對共享內(nèi)存和分布內(nèi)存的并行編程模型。對于OpenMP來說，由于多核結(jié)構(gòu)并不是SMP 結(jié)構(gòu)在片上的簡單重復(fù)，OpenMP面臨著多種挑戰(zhàn)。首先，OpenMP需要發(fā)掘更廣泛的并行性，除支持整數(shù)循環(huán)外要考慮對C迭代器的支持，尋求支持不規(guī)則程序的擴展，針對推測執(zhí)行提供必要的語言擴展支持等。其次，多核處理器可以同時具有多線程和NUMA 特性，加上 SMP 的并行層次，具有不可忽視的層次并行的特征，這對于OpenMP扁平的執(zhí)行模型提出了很大的挑戰(zhàn)。OpenMP 中一直薄弱的局部性描述也

27、需要加強。4. 魯棒性問題魯棒性來源于一個英文單詞 Robust ，也就是健壯和強壯的意思。控制專家用這個名字來表示當一個控制系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生攝動時系統(tǒng)能否保持正常工作的一種特性或?qū)傩?。就像人在受到外界病菌的感染后，是否能夠通過自身的免疫系統(tǒng)恢復(fù)健康一樣?，F(xiàn)在，魯棒性已成為控制理論中的一個重要的研究課題，也是一切類型的控制系統(tǒng)的設(shè)計中所必須考慮的一個基本問題。對魯棒性的研究主要限于線性定?？刂葡到y(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問題與控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和不變性原理有著密切的聯(lián)系，內(nèi)模原理的建立則對魯棒性問題的研究起了重要的推動作用。研究千萬億次機的魯棒性必須從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

28、軟硬件設(shè)計、并行支持環(huán)境、用戶界面以及診斷容錯系統(tǒng)等多方面共同努力才有可能得到解決。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須從片內(nèi)到系統(tǒng)，從結(jié)點到網(wǎng)絡(luò)都采取冗余設(shè)計，在軟件的支持下具備故障檢測、任務(wù)遷移、隔離的功能，以及有修復(fù)再加入的功能。軟件魯棒性首先是操作系統(tǒng)本身的魯棒性，對于這樣大的系統(tǒng)，當各種不同類型的故障發(fā)生時不能輕易的重啟操作系統(tǒng)。對于跟用戶相關(guān)的并行支持環(huán)境和用戶界面有更多的細節(jié)需要考慮魯棒性?？傊瑢τ谇f億次機這樣的大系統(tǒng)，平均無故障間隔時間很可能下降到幾十小時甚至幾小時，不出故障是不可能的，關(guān)鍵是各部分各層次的魯棒性措施是否能協(xié)同工作，一套完善的免疫修復(fù)機制是否有效，從而保證大系統(tǒng)的正常工作。五、 結(jié)束語科學(xué)和工程計算的計算需求仍然