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1、超级计算机的现状及展望摘要：超级计算是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全和国防建设等领域一系列重大挑战性问题的重要手段，是国家综合国力、科技竞争力和信息化建设能力的重要体现，是国家创新体系的重要组成部分，已经成为世界各国特别是大国争夺的战略制高点。在计算机领域，超级计算泛指设计、制造和应用超级计算机的各类活动；在其他行业领域，超级计算通常指在超级计算机上进行的大规模科学和工程计算、海量数据处理和信息服务等应用活动。超级计算机在全球已经取得了举世瞩目的成就，最近的全球超级计算机500强榜单的公布，超级计算机再次成为人们关注的焦点。中国的“天河一号”虽然居于第二位，但是这已经表明中国的
2、计算机事业正在突飞猛进的发展，正在逐渐成为我们综合国力的重要体现。随着超级计算机运算速度的迅猛发展，它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。就拥有量和运算速度上我国在世界上处于领先地位，但就超级计算机的应用领域来说我们和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。如何利用超级计算机来为我们的工业、科研和学术等领域服务已经成为我们今后研究发展的一个重要课题。关键词：超级计算机、发展、挑战1、超级计算机概念超级计算机是指“当前时代运算速度最快的大容量大型计算机，是计算机领域的珠穆朗玛峰”。类似称谓还有高性能计算机、高效能计算机等。超级计算机的界定具有显著的时代特征，与当时的计算机技术和应用的发展水
3、平紧密相关。以峰值速度指标为例，年前后，具有每秒万亿、十万亿次双精度浮点运算能力是超级计算机的标志；而在年前后，百万亿次以上成为超级计算机的新标志；当前，千万亿次已成为超级计算机的新高峰。 2、超级计算机主要用途日常经济、科技、国防等领域存在一系列复杂、大型的问题，都建立了越来越精细的物理模型，都需要计算机求解。最复杂、最大型的一类被称为“挑战性问题”，必须依赖同时代中运算速度最快的“超级计算机”。2.1气象预报：借助超级计算机能够模拟复杂的气流、洋流变化，预测天气走向，从而避免或减缓气象灾害给人类带来的破坏。2.2地震预报：超级计算机能计算各种地层应力变化，模拟地壳运动，这将帮助人们探索地震
4、预测方法，从而减轻与地震相关的灾害风险。2.3发现生命秘密：从基因学的数据密集型研究到细胞网络模拟，生物学已经显示出巨大的计算需求，超级计算机将帮助寻找生命的秘密。2.4发现地球秘密：超级计算机在地球物理学中的应用涉及大量数据处理和模拟，如石油勘测问题，这类问题具有巨大的潜在经济效益。2.5发现宇宙秘密：超级计算机模拟是天体物理学的基础，它可模拟时间进程并加速这种模拟进程，从而对天体的演变进行建模和理论试验。2.6汽车设计：汽车设计需要综合考虑空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性，以及乘坐者舒适度、噪音等多种因素，因此设计一款好车，必须借助超级计算机。2.7纳米材料设计：在设计纳米材料等
5、新兴材料时，对物质和能量的模拟是计算密集型的，只有超级计算机才能发现具有很高经济效益的物质和反应。2.8社会科学治理：使用超级计算机可以对影响社会健康和安全的过程和系统进行模拟，比如污染、灾难以及针对本地和国家基础设施进行的恐怖主义活动等。另外，宏观经济、社会学等学科的研究同样需要超级计算机，比如对大量人口的行为进行模拟3、超级计算机的技术发展一般认为，自1946年第一台电子计算机ENIAC问世至今，超级计算机的发展已先后经历了5个阶段或5代，即早期的单处理器巨型机、向量处理系统、大规模并行处理系统、共享内存处理系统和机群系统。 涡轮式刀片计算机1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一
6、台超级计算机，其运算速度为1Mflops.70年代初研制成功STAR-100向量机，这是世界上最早的向量机。随后于1974年，诞生了世界上最早的SIMD阵列计算机-ILLIAC-IV并行机。 1976年，CRAY公司推出CRAY-1向量机，开始了向量机的蓬勃发展，其峰值速度为0.1Gflops. 向量机处理对提高计算机运算速度十分有利，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于时钟周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太可能。就在传统向量机逐渐萎缩的同时，应来了大规模并行处理MPP机蓬勃发展的时代。各种新技术层出不穷，大公司也纷纷介入。其中，1996年12月宣布的AS
7、CI RED,运算速度超过了万亿次/秒。目前(2011年)新建的超级计算机大都使用机群式结构，只不过在具体采用的节点机型、拓扑结构及互连技术会有所不同。机群式超级计算机系统具有结构灵活、通用性强、安全性高、易于扩展、高可用性和高性价比等诸多优点。4、超级计算机在各国的发展4.1中国在今年最新一期的全球超级计算机500强榜单中，中国进入榜单的超级计算机总数仅次于美国，名列亚军，共有74台超级计算机上榜，其中在超级计算机榜单前十名中，中国占了两席，中国的“天河一号”排名第二，“星云”超级计算机排名第四。而在十年前的超级计算机500强榜单中，中国仅有三台上榜，其中最快的一台排名仅第150位，是中国农
8、业银行运行的信贷管理系统。上世纪90年代初，中国的超级计算机几乎全是进口产品，科研机构要在外国人的现场监控下使用进口计算机。近年来，中国逐步探索出了一条适合国情的发展超级计算机的新路子，“中国制造”不断缩小与发达国家的差距，在一些技术领域甚至处于世界领先地位。而近年来，中国的技术优势正在逐步显现。2009年11月，500强中的中国超级计算机有21台上榜，到了今年6月份，中国已经有62台超级计算机跻身全球500强，此次更是增加到了74台。“天河一号”的运算速度达到世界领先水平，其意义远远超过计算机本身，这意味着超级计算机被美日垄断的局面已被打破，这是中国科技迅猛发展的重要标志。对我国来说，类似“
9、天河一号”这样的超级计算机，在消除我国安全威胁、提高我国产业的自主设计能力和核心竞争力等方面有不可替代的作用。美国连线杂志感慨称：“这是一项非常了不起的成就。”中国超级计算机系统无论是在总数还是累计峰值运算能力上，都超过了德、日、法等传统的超级计算机大国。超级计算机500强名单的操盘手、劳伦斯伯克利国家实验室的高级科学家埃里克表示：“来自中国的超级计算机数量稳步增加，系统的复杂性也在加深。年，中国第一台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机历经年研制在国防科技大学诞生。它的研制成功向全世界宣布：中国成了继美、日等国之后，能够独立设计和制造巨型机的国家。 年，国防科技大学研制出银河通用并行巨型机，
10、峰值速度达每秒亿次，主要用于中期天气预报。 年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准操作系统设计开发的并行计算机。 年，曙光公司又推出了曙光，峰值速度达每秒亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光与美国公司年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近，与国外的差距缩小到年左右。 年，国防科技大学研制成功银河百亿次并行巨型计算机系统，峰值性能为每秒亿次浮点运算。 至年，曙光公司先后在市场上推出曙光，曙光，曙光超级服务器，峰值计算速度突破每秒亿次浮点运算。
11、年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威计算机，峰值运算速度达每秒亿次，在国家气象中心投入使用。 年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光实现了每秒万亿次运算速度。 年，“深腾”是国内第一个实际性能突破每秒百万亿次的异构机群系统，性能突破每秒万亿次。 年月日，曙光在天津下线，实现峰值速度万亿次、值万亿次。作为面向国民经济建设和社会发展的重大需求的网格超级服务器，曙光可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。年月，正式落户上海超算中心。 年月日，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生。这台计算机每秒万亿次的峰值速度和每秒万亿次的实测性能，使中国成为继美国之后世
12、界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。年月日，中国拥有完全自主知识产权的千万亿次计算机“曙光”将于年问世。“曙光”将首次采用国产通用处理器龙芯。年月日，半年评选一次的全球超级计算机强最新名单正式公布。由中国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，这次以实测速度每秒万亿次位列世界第五、亚洲第一，这也是中国超级计算机迄今在这一强排行榜上获得的最高名次。“天河一号”的峰值速度达到每秒万亿次，是中国首台每秒运算速度超过千万亿次的超级计算机。年月，具有自主知识产权的我国第一台实测性能超千万亿次的“星云”超级计算机在曙光公司天津产业基地研制成功。月日，“星云”以Linpack值万亿次，在第届全球超
13、级计算机五百强排名中，列第二位。月日，“星云”超级计算机系统正式发布。年月，中国首台国产千万亿次超级计算机“天河一号”的排计算机柜全部安装到位，计划从月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。年月日,全球超级计算机强排行榜（又称）在美国新奥尔良会议中心正式揭晓，由中国国防科学技术大学研制的“天河一号”超级计算机排名第一，“天河一号”年在中国国家超级计算天津中心安装部署，升级后的实测运算速度可达每秒万亿次。美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机排名第二,中国曙光公司研制的“星云”高性能计算机位居第三。其他排名前十的超级计算机分别位于日本、法国、德国和美国。 年月日，国家超级计算济南中心在
14、济南正式揭牌。这是中国首台全部采用国产和系统软件构建的千万亿次计算机系统，标志着中国成为继美国、日本之后能够采用自主构建千万亿次计算机的国家。国家超级计算济南中心由山东省科学院建设、运营和维护，年月开始建设，近期建成并投入运行。济南中心装配的神威蓝光计算机系统，由国家并行计算机工程技术研究中心研制，系统采用万万亿次架构，全机装配片由国家高性能集成电路（上海）设计中心自主研发的“申威”处理器，峰位性能达到.千万亿次浮点运算秒，持续性能为千万亿次浮点运算秒，运行（）效率达到，性能功耗比超过百万次浮点运算秒瓦，组装密度和性能功耗比居世界先进水平，系统综合水平处于当今世界先进行列。济南中心全部采用国产
15、和系统软件，实现了国家大型关键信息基础设施核心技术的自主可控。目前，中国已经建成天津、深圳、济南三个千万亿次超级计算中心。2011年中国第一台实测性能超千万亿次的超级计算机曙光“星云”11月16日将在国家超级计算深圳中心全面开通运行。4.2美国美国超级计算机一直处于世界前列，世界第一台超级计算机是由美国制造，在最新公布的超级计算机前500名排名，美国进入榜单数位263台，在前十和前五百强中都占据了半壁江山，遥遥领先于其他所有国家。而且美国目前正在积极构建超级计算机系统，其运算能力将会超越“天河一号”，这些正建造的超级计算机大多数都集中在美国。美国正在开发的一套名为“蓝水”的计算机系统，使用的是IBM公司的Power 7多核处理器，每秒持续运算速度能达1000兆次，
