超級計算機前世今生

1、超級計算機的前世今生1高性能計算處于信息技術(shù)前沿的超級計算機一直是一個國家的重要戰(zhàn)略資源,對國家安全、經(jīng)濟和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義.超級計算(SUPERCOMPUTING ) 、高性能計算( High Performance Computing, HPC )的話題在近兩年來是一年比一年熱,不僅是因為國內(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會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,高性能計算機系統(tǒng)(或超級計算系統(tǒng))角逐激烈,從萬億次(Teraflops)到十萬億次,甚至到千萬億次(peraflops),計算性能峰值的增長越來越快.在傳統(tǒng)的氣象分析

2、,石油勘探、核實驗模擬、蛋白質(zhì)折疊等超級計算應用之外,我們還看到與我們生活息息相關(guān)的高性能計算應用,包括汽車制造設(shè)計,電影動畫模擬,藥物研究及國家網(wǎng)格構(gòu)建.可毫不夸張地說,我們每一個人都在享受著高性能計算的直接或間接的服務(wù) 2什么是超級計算機（Supercomputer）指計算能力（尤其是計算速度）為世界頂尖的電子計算機。它的體系設(shè)計和運作機制都與人們?nèi)粘Ｊ褂玫膫€人電腦有很大區(qū)別?，F(xiàn)有的超級計算機運算速度大都可以達到每秒一兆（萬億，非百萬）次以上?！俺売嬎恪保╯uper computing）這名詞第一次出現(xiàn)是在媒體“紐約世界報”于1929年關(guān)于IBM為哥倫比亞大學建造大型報表機（tabula

3、tor）的報導。3什么是“超級計算機”？在計算機科學技術(shù)百科辭典中做了如下簡短的解釋： “具有非常高的運算速度，有非?？於萘坑址浅４蟮闹鞔鎯ζ骱洼o助存儲器，并充分使用并行結(jié)構(gòu)軟件的計算機，也常稱為超級計算機?！?如果再通俗一點講，“超級計算機”是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲容量最大的一類計算機。 超級計算機通常是指由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機）組成的、能計算普通PC機和服務(wù)器不能完成的大型復雜課題的計算機。 它是世界各國國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志。4超級計算機的玩家1960年代，超級計算機由希穆爾克雷在Control Data Corporation里設(shè)計出來并領(lǐng)先市場直

4、到1970年代克雷創(chuàng)立自己的公司克雷研究。憑著他的新設(shè)計，他控制了整個超級計算機市場，并占據(jù)顛峰位置長達五年（1985-1990）。到了1980年代，正值小型電腦市場萌芽階段，大量小型對手加入競爭。在1990年代中葉，很多對手受不了市場的沖擊而消聲匿跡。今天，超級計算機成了一種由像IBM及惠普等大型電腦公司所特意設(shè)計的電腦。雖然這些公司通過不斷并購其他公司而增強了自己的經(jīng)驗，但除他們以外的元老公司克雷研究依然是超級計算機領(lǐng)域的巨頭。克雷-2（Cray 2）1985年至1989年時全球最快電腦5歷史“超級計算機”一詞并無明確定義，其含義隨計算機業(yè)界的發(fā)展而發(fā)生變化。早期的控制數(shù)據(jù)公司機器可達十倍

5、速于競爭對手，但仍然是比較原始的標量處理器。到了1970年代，大部分超級計算機就已經(jīng)是矢量處理器了，很多是新進者自行開發(fā)的廉價處理器來攻占市場。1980年代初期，業(yè)界開始轉(zhuǎn)向大規(guī)模并行運算系統(tǒng)，這時的超級計算機由成千上萬的普通處理器所組成。1980年代中葉，將適量的矢量處理器（一般由8個到16個不等）聯(lián)合起來進行并行計算成為通用的方法。1990年代以后到21世紀初，超級計算機則主要由基于精簡指令集（RISC）的處理器（譬如PowerPC或PA-RISC以及Alpha）互聯(lián)進行并行計算而實行。6曾經(jīng)的第一ENIACUNIVACBlue Gene7AtanasoffBerry Computer (

6、ABC)（1942年）阿塔納索夫-貝瑞計算機（Atanasoff-Berry Computer，簡稱ABC）世界上第一臺電子計算機，為愛荷華州立大學的約翰文森特阿坦那索夫（John Vincent Atanasoff）和他的研究生克利福特貝瑞（Clifford Berry）在1937年至1941年間開發(fā)。30 OPS8TRE Heath Robinson （1942年）200 OPS 英國帕雷屈里莊園9Flowers Colossus （1944年）花巨人5 kOPS Post Office Research Station, Dollis Hill, England10UPenn ENIAC

7、 （1946年）100 Kops阿伯丁射擊場, 馬里蘭, 美國ENIAC馮諾依曼11IBM NORC （1954年）IBM海軍軍用品研究計算器 (NORC)67 kOPS 美國維珍妮亞州海軍試驗基地 12MIT TX-0 （1956年）83 kOPS 美國麻省理工大學13IBM AN/FSQ-7 （1958年）IBM AN/FSQ-7電腦美國IBM公司為半自動地面防空系統(tǒng)研制的一種第一代專用電腦，它使用了58,000支電子管，耗電1,500千瓦。400KOPS美國空軍23號基地14UNIVAC LARC （1960年）UNIVersal Automatic Computer Livermore

8、 Advanced Research Computer250 kFLOPS 勞倫斯Livermore國家實驗室, 加利福尼亞, 美國15IBM 7030 “舒展” （1961年）1.2 MFLOPS 洛斯阿拉莫斯國家實驗室, 新墨西哥, 美國 16CDC 6600/CDC 7600/CDC STAR-100 （1964/1969/1974年）3 MFLOPS /36 MFLOPS/100 MFLOPS勞倫斯Livermore國家實驗室, 加利福尼亞, 美國 17Burroughs ILLIAC IV（1975年）150 MFLOPS美國航空航天局Ames研究中心, 加利福尼亞, 美國18Cra

9、y-1（1976年）250 MFLOPS洛斯阿拉莫斯國家實驗室,新墨西哥,美國19CDC Cyber 205（1981年）400 MFLOPS40 systems worldwide20Cray X-MP/4（1983年）941 MFLOPS洛斯阿拉莫斯國家實驗室; 勞倫斯Livermore國家實驗室; Battelle; 波音21M-13（1984年）2.4 GFLOPS復合計算機科學研究學院， 莫斯科, 蘇聯(lián)22Cray-2/8（1985年）3.9 GFLOPS勞倫斯Livermore國家實驗室, 加利福尼亞, 美國23ETA10- G/8（1989年）10.3 GFLOPS佛羅里達州立大

10、學, 佛羅里達, 美國24NEC SX-3/44R（1990年）23.2 GFLOPSNEC 府中廠，府中, 日本25想法的機器 CM-5/1024（1993年）65.5 GFLOPS洛斯阿拉莫斯國家實驗室; 國家安全代辦處，美國26富士通 數(shù)字風洞（1993年）124.50 GFLOPS全國航空航天實驗室, 東京, 日本27英特爾 模范 XP/S 140（1993年）143.40 GFLOPSSandia國家實驗室, 新墨西哥, 美國28富士通 數(shù)字風洞（1994年）170.40 GFLOPS全國航空航天實驗室, 東京, 日本29日立 SR2201/1024（1996年）220.4 GFLO

11、PS東京大學 , 日本30日立/筑波 CP-PACS/2048（1996年）368.2 GFLOPS計算物理中心， 筑波大學 , 筑波, 日本31英特爾 ASCI紅色/9152/9632（1997/1999年）1.338 TFLOPS/2.3796 TFLOPSSandia國家實驗室, 新墨西哥, 美國32IBM ASCI White（2000年）白色“提高戰(zhàn)略運算能力計劃”速度：7.226 TFLOPS用途：模擬核試驗位置：美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室33NEC地球模擬器（2002年）35.86 TFLOPS 日本地球模擬器中心34IBM Blue Gene/L（2004-2007年）7

12、0.72 TFLOPS /136.8 TFLOPS/ 280.6 TFLOPS/ 478.2 TFLOPS美國能源部/IBM/NNSA/LLNL35IBM Roadrunner （2008年）1.026 PFLOPS / 1.105 PFLOPS美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室36Cray XT5 （2009年）2.331 PFLOPS 美國橡樹嶺國家實驗室37天河一號 （2010年）2.507 PFLOPS / 2 .566 PFLOPS 中國天津國家超級計算中心38K Computer（2011年）8.162 PFLOPS日本富士通39超級計算機的發(fā)展歷程回顧“巨型機之父”西蒙.克雷從

13、真正意義上來說，研制出符合超級計算機定義產(chǎn)品的人應是西蒙.克雷（S.Cray)博士,此人后來被西方稱為”巨型機之父”.1963年,他研制出世界上第一臺巨型機CDC6600,該共安裝了35萬個晶體管,運算速度為1MFLOPS.在這以后,巨型機走過了五代,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)和機群系統(tǒng)(CLUSTER). 超級計算機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,已獨立成立了“高性能計算”部門,并計劃針對HPC開發(fā)一款”Windows Server HPC Edition”的新版本操作系統(tǒng).2005.4.540超級計算機的五代

14、超級計算機通常是指由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機）組成的、能計算普通PC機和服務(wù)器不能完成的大型復雜課題的計算機。為了幫助大家更好的理解超級計算機的運算速度我們把普通計算機的運算速度比做成人的走路速度，那么超級計算機就達到了火箭的速度。在這樣的運算速度前提下，人們可以通過數(shù)值模擬來預測和解釋以前無法實驗的自然現(xiàn)象。超級計算機的相關(guān)基本理論及描述42新一代的超級計算機采用渦輪式設(shè)計，每個刀片就是一個服務(wù)器，能實現(xiàn)協(xié)同工作，并可根據(jù)應用需要隨時增減。單個機柜的運算能力可達460.8千億次/秒，理論上協(xié)作式高性能超級計算機的浮點運算速度為100萬億次/秒，實際高性能運算速度測試的效率高達84.35%

15、，是名列世界最高效率的超級計算機之一。通過先進的架構(gòu)和設(shè)計，它實現(xiàn)了存儲和運算的分開，確保用戶數(shù)據(jù)、資料在軟件系統(tǒng)更新或CPU升級時不受任何影響，保障了存儲信息的安全，真正實現(xiàn)了保持長時、高效、可靠的運算并易于升級和維護的優(yōu)勢。43馮.諾依曼體系超級計算機架構(gòu)圖PMPPPPPPPPPMPPPPMPPPPSystem Area NetworkMMMM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)2005.4.544超級計算機的結(jié)構(gòu)根據(jù)Top500的分類方法, 當前超級計算機的體系結(jié)構(gòu)有以下幾種。1)對稱多處理(SMP) 對稱式多處理器(SMP)：Symmetric Multi

16、-Processor的縮寫。是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU)。各處理器完全相同, 平等地訪問軟硬件資源, 處理器間通過總線或者交叉開關(guān)相連, 共享存儲器, 但有各自獨立的Cache。SMP的優(yōu)勢在于其透明的編程模式, 串行程序一般可不加修改直接運行于SMP之上。缺點是由于對公共內(nèi)存和I/O的競爭, 加上維護Cache一致性的開銷, 導致擴展能力有限。 452)大規(guī)模并行處理(MPP)MPP指在同一地點由大量處理器構(gòu)成的并行計算機, 一般以通用64位微處理器作為處理節(jié)點, 多為分布存儲方式, 節(jié)點間通信用消息傳遞方式, 其規(guī)?？蓴U展到數(shù)千節(jié)點。MPP系統(tǒng)的優(yōu)點是峰值速度高, 并有良

17、好的可擴展性。主要缺點是消息傳遞能力與節(jié)點運算能力難以匹配。 3)機群(Cluster) Cluster是用高速互連網(wǎng)絡(luò)連接起來的一組微機或工作站, 各節(jié)點都是獨立的(有獨立完整的內(nèi)存和操作系統(tǒng))計算機?；ミB常采用商用計算機網(wǎng)絡(luò)(ATM、FDDI、以太網(wǎng)等), 采用消息傳遞方式通信。它具有規(guī)?？蓴U展、性價比高等優(yōu)點, 缺點主要是多操作系統(tǒng)難于管理和維護, 而且通信延遲大。 46機群系統(tǒng)包括下列組件：高性能的計算結(jié)點機(PC、工作站或SMP)；具有較強網(wǎng)絡(luò)功能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)；高效的網(wǎng)絡(luò)/交換機(如千兆位以太網(wǎng)和Myrinet)；網(wǎng)卡；快速傳輸協(xié)議和服務(wù)；中間件層；并行程序設(shè)計環(huán)境與工具。4)群

18、聚集(Constellations) Constellations指以大型SMP(處理器數(shù)目不少于16個)為節(jié)點構(gòu)成的Cluster, 各節(jié)點間通過高速專用網(wǎng)絡(luò)互連, 也稱為機群SMP(Cluster-SMP或CSMP)。新近的巨型機多采用這種結(jié)構(gòu), 如IBM ASCI White系統(tǒng)由512個節(jié)點機構(gòu)成, 每個節(jié)點含16個Power3處理器, 節(jié)點內(nèi)共享存儲, 節(jié)點間由交叉開關(guān)互連。 47關(guān)于機群(CLUSTER)架構(gòu) 根據(jù)TOP500官方網(wǎng)站的資料統(tǒng)計,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

19、器的有31套. 在TOP500中,有296套系統(tǒng)采用了機群系統(tǒng).占了49.8%.在前10名的系統(tǒng)中,機群系統(tǒng)占了7個. 機群系統(tǒng)采用普通商業(yè)芯片和內(nèi)連技術(shù).2005.4.548關(guān)于機群(CLUSTER)架構(gòu) 機群架構(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)濟性和公開性,與MPP不同之處是,它一般采用廉價的普通服務(wù)器為運算節(jié)點,小規(guī)模的系統(tǒng)一般用以太網(wǎng)內(nèi)連,外加免費公開的操作系統(tǒng)LIUNX和并行編程接口MPI. 使超級計算機的造價告別了天文數(shù)字,應用足跡也能涉足千家萬戶. 但因機群系統(tǒng)大量使用IA服務(wù)器,隨著節(jié)點數(shù)的

20、增加,其耗能和散熱問題嚴重,可管性和可用性和可持續(xù)運算能力大大降低.按目前技術(shù)水平,很難做到一萬個節(jié)點以上.2005.4.549超級計算機的應用目前對于超級計算機需求飛速增長的行業(yè)主要是在生物信息學方面.傳統(tǒng)行業(yè),如能源(石油,核技術(shù)) 、空氣動力學、戰(zhàn)略武器的研發(fā)方面仍有較強的需求.1.超級計算機在航天飛行器設(shè)計中的應用 (1)科學計算:要完成目前風洞試驗無法進行的課題.如風洞試驗的馬赫數(shù)比實際飛行的低,就要靠數(shù)值方法來補推,還有上百成千個彈道計算也要全靠計算機完成. (2)數(shù)據(jù)庫建設(shè):用于改進設(shè)計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)計周期,減少風洞試驗次數(shù). (3)計算機輔助

21、設(shè)計:如波音757飛機,幾乎所有的空氣動力方面的設(shè)計都用計算機. (4)計算機仿真:用計算機模擬實際飛行和對抗.據(jù)權(quán)威人士介紹,要用計算機代替風洞進行數(shù)值模擬,需要具有1000MB的內(nèi)存容量,10101011次/秒的計算機. 2005.4.5502.在地震勘探中的應用(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,尋找碳氫化合物.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個檢波器,每個檢波器每12毫秒記錄一個采樣點,每個樣點16位,記錄時間長度為315秒,因此,

22、每個記錄長度達24萬7200萬字節(jié).(2)地震數(shù)據(jù)處理:是一個十分復雜的數(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個應用程序,每個應用程序包含幾千行至幾萬行FORTRAN源語句,計算量很大.2005.4.551(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.下面幾個領(lǐng)域,只有超級計算機才能勝任:交互地震處理三維地震處理迭前三維偏移彈性波模型2005.4.5523.在油藏數(shù)值模擬中的應用油藏數(shù)值模擬是根據(jù)達西定律和物質(zhì)守恒定律原理把復雜的物理現(xiàn)象抽象成數(shù)學問題,然后求該數(shù)學問題的解,以便定量地研究不同巖石和不同油、氣流，在不

23、同開采方式下，油、氣、水的運動規(guī)律。油藏數(shù)值模擬的數(shù)學問題是一個偏微分方程組,解偏微分方程組大多用有限差分法進行離散化,然后解非線性的代數(shù)方程組,這需內(nèi)存容量大,運算速度快的計算機.在油藏數(shù)值模擬軟件中大量使用線性和非線性的插值技術(shù),當這段程序向量化后,處理效率可大大提高.2005.4.553在油藏數(shù)值模擬軟件中,另一個問題是解大型稀疏線性方程組,約占整個運算時間的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.2005.4.5544.在石油勘探中的應用中國大慶油田有限責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)商之一.2002年大慶在石油和天然氣探測方面

24、投入1.8億美元.公司采用了129臺基于英特爾至強(XEON)處理器的雙路聯(lián)想系統(tǒng).,配置了paradig公司的先進軟件.大慶預計與專有超級計算機解決方案相比可節(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量.2005.4.5555.在天氣預報中的應用當代衡量一個國家氣象業(yè)務(wù)發(fā)展水平,從設(shè)備上主要看兩項:巨型計算機和氣象衛(wèi)星.現(xiàn)代天氣預報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報,從上世紀50年代開始,出現(xiàn)了用計算機制作數(shù)值天氣預報.現(xiàn)被公認為最好的天氣預報方法.早期計算機只能做短期(3天)預報,目前用超級計算機可做中期(3天2周)的天氣預報.(1)中期天氣預報的數(shù)學模型:根據(jù)初始時刻的大氣狀態(tài),即三維的運動速度u,v,w和大氣溫度T、水汽q及大氣密度,求解下列微分方