超級(jí)計(jì)算機(jī)小論文

超級(jí)計(jì)?算機(jī)技術(shù)已不再是一個(gè)新鮮的話題，美國(guó)IBM、日本\EC、中國(guó)曙光都已推出自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)，但比較而言，以美國(guó)兩院院士、"世界超級(jí)渦輪式刀片計(jì)算機(jī)之父”陳世卿博士為首的專家團(tuán)隊(duì)回歸祖國(guó)后研發(fā)出的超級(jí)訃算機(jī)仍然具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。新一代的超級(jí)計(jì)算機(jī)采用渦輪式設(shè)汁，每個(gè)刀片就是一個(gè)服務(wù)器，能實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，并可根據(jù)應(yīng)用需要隨時(shí)增減。單個(gè)機(jī)柜的運(yùn)算能力可達(dá)460.8千億次/秒，理論上協(xié)作式高性能超級(jí)訃算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為100萬(wàn)億次/秒，實(shí)際高性能運(yùn)算速度測(cè)試的效率高達(dá)84.35%,是名列世界最高效率的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。通過(guò)先進(jìn)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和運(yùn)算的分開(kāi)，確保用戶數(shù)據(jù)、資料在軟件系統(tǒng)更新或CPU升級(jí)時(shí)不受任何影響，保障了存儲(chǔ)信息的安全，真正實(shí)現(xiàn)了保持長(zhǎng)時(shí)、高效、可黑的運(yùn)算并易于升級(jí)和維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。2011年6月21日國(guó)際T0P500組織宣布，日本超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”(Kcomputer)以每秒8162萬(wàn)億次運(yùn)算速度成為全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。由日本政府出資、富士通制造的巨型計(jì)算機(jī)“KComputer”H前落戶于日本理化研究所，并成功從中國(guó)手中奪回運(yùn)算速度排行榜第一的寶座。以每秒8162萬(wàn)億次運(yùn)算速度成為全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！癒Computer"當(dāng)前運(yùn)算速度為每秒8千萬(wàn)億次，而到2012年完全建成時(shí)，其運(yùn)算速度將達(dá)到每秒一萬(wàn)萬(wàn)億次?！癒Computer"比現(xiàn)居笫二的中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)速度快岀約3倍，其至比排名笫2至第6的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度總和還要快。LI前各種超級(jí)計(jì)?算機(jī)的高速處理能力基本上都是利用并行體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，并行計(jì)算(ParallelComputing)已成為提高處理性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。簡(jiǎn)單地講，并行計(jì)算技術(shù)就是用同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)處理機(jī)或計(jì)算機(jī)來(lái)處理同一任務(wù)，從而大幅度提高任務(wù)的處理速度、縮短了任務(wù)的處理時(shí)間。超級(jí)汁算機(jī)的五大形態(tài)在超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中，先后出現(xiàn)過(guò)多種超級(jí)計(jì)算機(jī)并行體系結(jié)構(gòu)，主要有如下5種。并彳亍向量處理(ParallelVectorProcessing,PVP)系統(tǒng)采用一定數(shù)量的、并行運(yùn)行的向量處理器和共孕式內(nèi)存(SharedMemory,SM)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。PVP系統(tǒng)的SM結(jié)構(gòu)，也就是采用高帶寬的交叉開(kāi)關(guān)將各個(gè)向量處理器與其共享的內(nèi)存模塊連接。向量處理器(VectorProcessor)的一條指令能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)(向量矩陣)執(zhí)行運(yùn)算，而一般的通用CPU屬于標(biāo)量處理器(ScalarProcessor),每次只能對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行處理。其代表機(jī)型有CrayXMP、CrayYNP、NECSX2、我國(guó)的銀河一號(hào)和二號(hào)等。對(duì)稱式多處理(SymmetricMultiProcessing,SMP)系統(tǒng)采用一定數(shù)量、并行運(yùn)行的微處理器和共乍式內(nèi)存(SM)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，各處理器通過(guò)系統(tǒng)總線或交義開(kāi)關(guān)連接共享的內(nèi)存模塊，可“均等”或“對(duì)稱”地共享內(nèi)存和其它系統(tǒng)資源并山同一操作系統(tǒng)管理，提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此SMP屬于“一致性內(nèi)存訪問(wèn)”(Un辻ormMemoryAccess,UMA)方式，SMP的代表機(jī)型有IBMR50、SGIPowerChallenge^SunSPARCCenter2000、曙光一號(hào)等。分布式共乍內(nèi)存(DistributedSharedMemory,DSM)系統(tǒng)由一定數(shù)量的并行處理節(jié)點(diǎn)(Node)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)相對(duì)完整的計(jì)算單元(配置有處理器和內(nèi)存模塊)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)互連，系統(tǒng)III單一操作系統(tǒng)管理，分布于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的全部?jī)?nèi)存被統(tǒng)一編址，可由所有用戶共享。與SMP不同，DSM對(duì)內(nèi)存資源的共享是非對(duì)稱的，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)本地內(nèi)存與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)內(nèi)存時(shí)的延遲和帶寬是不同的，故DSM系統(tǒng)屬于"非一致性內(nèi)存訪問(wèn)”(Non-UniformMemoryAccess,NUMA)方式，其代表機(jī)型有SGIOrigin2000/3000、SequentNUMA-Q>HP/ConvexSPP1600、銀河三號(hào)和神威一號(hào)等。大規(guī)模并行處理(MassiveParallelProcessing,MPP)系統(tǒng)山成廳上千計(jì)?算節(jié)點(diǎn)組成的并行處理計(jì)?算機(jī)系統(tǒng)，每個(gè)計(jì)?算節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)或多個(gè)處理器，各個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，有各自獨(dú)立的內(nèi)存模塊和操作系統(tǒng)。MPP系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以獲得很高的峰值運(yùn)算速度，且由于系統(tǒng)的內(nèi)存分布于各個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以MPF屬于“分布式內(nèi)存”(DistributedMemory,DM)結(jié)構(gòu),具有易擴(kuò)展性。MPP的易擴(kuò)展性使其能夠與SMP、DSM等結(jié)合，于是出現(xiàn)了SMP-MPP(各個(gè)MPP節(jié)點(diǎn)采用SMP并行多處理機(jī))和DSMMPP(各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用DSM并行多處理機(jī))等復(fù)合型超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。MPP系統(tǒng)的代表機(jī)型主要有IBMSP2、IntelParagon^CRAYT3E、曙光1000等。5機(jī)群式超級(jí)訃算機(jī)系統(tǒng)上世紀(jì)90年代中后期，隨著Intel芯片等造價(jià)低廉的微型計(jì)算機(jī)組件的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使采用普通微型機(jī)或工作站作為訃算節(jié)點(diǎn)并采用高速網(wǎng)絡(luò)互連的并行計(jì)算系統(tǒng)成為了可能，超級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)山此開(kāi)始邁入工作站機(jī)群(ClusterofWorkstations,COW)或工作站網(wǎng)絡(luò)(NetworkofWorkstations,NOW)時(shí)代。2000年以后，乂出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)采用商用級(jí)處理器的機(jī)群系統(tǒng)(Cluster),以及采用SMP并行機(jī)作為訃算節(jié)點(diǎn)的SMP機(jī)群或星群(Constellation)<>從內(nèi)存訪問(wèn)方式上看，機(jī)群系統(tǒng)采用了與MPP相同的分布式內(nèi)存(DM)結(jié)構(gòu)，因而具有很高的可擴(kuò)展性。機(jī)群系統(tǒng)的代表機(jī)型有洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的AvalonCluster.ASCIBlueMountain、深騰1800/6800和曙光2000/3000等。超級(jí)計(jì)算機(jī)的展望一般認(rèn)為，自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC問(wèn)世至今，超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展已先后經(jīng)歷了5個(gè)階段或5代，即早期的單處理器巨型機(jī)、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(jī)群系統(tǒng)。如前所述，機(jī)群系統(tǒng)山于采用了分布式內(nèi)存(DM)結(jié)構(gòu)因而具有很高的可擴(kuò)展性，理論上只要以高帶寬的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)為基礎(chǔ)，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量就能提高并行處理能力或計(jì)算速度。另外，由于機(jī)群系統(tǒng)可以采用低成本的微型機(jī)組件、免費(fèi)的Linux操作系統(tǒng)和并行編程平臺(tái)來(lái)構(gòu)建，因而具有非常高的性價(jià)比。的確，易于擴(kuò)展、高性價(jià)比等特點(diǎn)賦予了機(jī)群系統(tǒng)很強(qiáng)的生命力，但是機(jī)群系統(tǒng)的計(jì)算性能是否簡(jiǎn)單地利用其可擴(kuò)展性就能無(wú)限地提升呢？事實(shí)上，當(dāng)機(jī)群節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)于龐大時(shí)，就不可避免地會(huì)遭遇到網(wǎng)絡(luò)延遲加劇和并行處理環(huán)境等方面的瓶頸，系統(tǒng)的可黑性會(huì)大打折扣且維護(hù)的難度明顯增加，同時(shí)占地面積和耗電量也將十分驚人。因此，目前“正在興旺時(shí)期”的機(jī)群技術(shù)并不是超級(jí)訃算機(jī)技術(shù)發(fā)展的終結(jié)者，未來(lái)超級(jí)訃算機(jī)性能的進(jìn)一步提升，依然要黑超級(jí)訃算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)按照有關(guān)專家和研究人員的構(gòu)想，與現(xiàn)有第5代的機(jī)群系統(tǒng)相比，未來(lái)的HPC-G6將具備更高的可擴(kuò)展性、可用性、可持續(xù)性、計(jì)算密度、可管理性、運(yùn)行效率和性能功耗比等特征。更高的可擴(kuò)展性意味著未來(lái)的HPC-G6可以更大規(guī)模地?cái)U(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量及其互連帶寬，實(shí)現(xiàn)數(shù)千甚至上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的高速互連。更高的可用性和訃算可持續(xù)性即系統(tǒng)具有高可靠的持續(xù)運(yùn)算能力，更高的計(jì)算密度指單個(gè)機(jī)架空間中將能容納更多的處理單元、具有更高的計(jì)算能力，更高的可管理性即能夠采用簡(jiǎn)便的操作控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的有效管理。HPC-G6將具有更高的運(yùn)行效率，并且單位功耗所換取的計(jì)算能力，也就是性能功耗比將進(jìn)一步提升。雖然，HPG-G6LI前還只是作為一種概念和構(gòu)想被提出，但它標(biāo)志著人們已經(jīng)向更高的性能進(jìn)步。高性能計(jì)算機(jī)的研制已走入發(fā)展的十字路口。美國(guó)Illinois大學(xué)計(jì)算機(jī)系DanielA.Reed教授曾指出：“在美國(guó)目前還沒(méi)有積極的大規(guī)模體系結(jié)構(gòu)和原型研究項(xiàng)II。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們LI前正面臨著體系結(jié)構(gòu)的危機(jī)，包括軟件和硬件?！边@一十字路口很像1990年國(guó)內(nèi)有關(guān)使用微處理器構(gòu)成并行系統(tǒng)還是用大規(guī)模集成電路自己設(shè)訃向量