第一讲-高性能计算概述

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1、1 第一讲 高性能计算概述第一讲 高性能计算概述 主讲 董 小 社主讲 董 小 社 xsdong xsdong 82663951 西一楼413 82663951 西一楼413 2 教材 高性能集群计算结构与系统 郑纬民 等译 电子工业出版社 参考书 1 High Performance Cluster Computing Architecture and Systems Rajkumar Buyya 2 可扩展并行计算 技术 结构与编 程 Hwang著 陆鑫达等译 3 1 1 介绍1 1 介绍 博士生 体会解决问题的方法和思路 研究生 了解实现技术现状和方法 博士生 体会解决问题的方法和思路

2、研究生 了解实现技术现状和方法 FTP 202 117 15 199 21 hpc 4 前言前言 推动计算机技术发展的基础 推动计算机技术发展的基础 微电子技术 微电子技术 最关键的因素 是物质基础最关键的因素 是物质基础 芯片的集成度和处理速度日新月异芯片的集成度和处理速度日新月异 计算机系统结构 计算机系统结构 极其重要的因素极其重要的因素 最合理地利用新器件 新设备 通过合理的新方法 最大限度地发 挥出它们的内在潜力 设计和构成 最合理地利用新器件 新设备 通过合理的新方法 最大限度地发 挥出它们的内在潜力 设计和构成综合性能指标最佳综合性能指标最佳的计算机系统的计算机系统 需要硬件 软

3、件 语言 计算机结构 通信技术和高效的应用技术 等多方面的发展变革 需要硬件 软件 语言 计算机结构 通信技术和高效的应用技术 等多方面的发展变革 根据P H Enslow的统计 同一时期计算机系统性能比器件性能提高 的速度快得多 根据P H Enslow的统计 同一时期计算机系统性能比器件性能提高 的速度快得多 5 6 7 8 前言前言 推动计算机技术发展的基础 推动计算机技术发展的基础 并行处理技术 并行处理技术 高性能计算机高性能计算机构建主要方法构建主要方法 时间和空间上的并行技术开发时间和空间上的并行技术开发 流水线技术 使得功能部件得到充分利用流水线技术 使得功能部件得到充分利用

4、超标量和多处理机技术 使得各部件并行工作超标量和多处理机技术 使得各部件并行工作 超标量 多核 流水 超流水处理器芯片技术的进步 超标量 多核 流水 超流水处理器芯片技术的进步 已使今天的处理器的性能达到单片10亿次以上 不久的未来单 芯片有可能达到Tflops级 已使今天的处理器的性能达到单片10亿次以上 不久的未来单 芯片有可能达到Tflops级 高性能计算机系统结构高性能计算机系统结构 经历了阵列机 向量机 SMP MPP Cluster等 今天的单机系 统性能已经达到1Pflops以上 经历了阵列机 向量机 SMP MPP Cluster等 今天的单机系 统性能已经达到1Pflops以

5、上 9 10 Multiple cores deliver more performance per watt C1C1 C4C4 C2C2 C3C3 SmallSmall corecore Big coreBig core CacheCache CacheCache 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 2 2 3 3 4 4 PowerPower PerformancePerformance Power Power Performance 1 2Performance 1 2 Many core is more Many c

6、ore is more power efficientpower efficient Power areaPower area Single thread Single thread performance area 5performance area 5 11 12 13 14 15 前言前言 应用是计算技术发展的牵引动力 应用是计算技术发展的牵引动力 从计算机诞生那一天起 人类对计算机性能的需求就一 直是永无止境的 从计算机诞生那一天起 人类对计算机性能的需求就一 直是永无止境的 应用领域需要计算机解决的应用领域需要计算机解决的问题越来越复杂问题越来越复杂 规模越来越大规模越来越大 像 中

7、长期高精度天气预报 环境监测和灾害预报 人类社会仿真 虚拟核试验 生物基因破译 新医药研制 海量信息处理等都需 要极高性能的计算机 像 中长期高精度天气预报 环境监测和灾害预报 人类社会仿真 虚拟核试验 生物基因破译 新医药研制 海量信息处理等都需 要极高性能的计算机 今天的计算机的性能远不能满足应用的要求 它所能解决的问题 仍然只是人们期待解决的问题的很小一个子集 今天的计算机的性能远不能满足应用的要求 它所能解决的问题 仍然只是人们期待解决的问题的很小一个子集 16 Computational Technologies Computational Technologies Computat

8、ional Technologies Computational Technologies ENIACENIAC CrayCray 2 2 Cray X MPCray X MP Vector Vector Cray T90 Cray T90 SGI Origin 2KSGI Origin 2K Scalable Scalable Multi Disciplinary Analysis and Optimization Multi scale Space and Time CDC 7600CDC 7600 SGI Origin 3K SGI Origin 3K IBM SP3 4IBM SP3

9、4 Linux Linux NetworXNetworX IAIA 32 32 Analytical Models Rigid Body Dynamics 1950197519861996 2000 Defense RDT而到了 PC时代 计算能力则分布在每一台PC上 即将进入以 云计算 为代表的互联网时 代之后 计算能力又将走向 集中 分布式计算的PC时代 创造了微软 集中式计算的 云时代 创造了谷歌 与谷歌 试图将所有计算和应用搬到 云 里不同 微软提出 云 端计算 的平衡理念 云 和终端都将承担一部分计算和应用 微软提出 云 端计算 的基础是 虽然 云计 算 时代 由摩尔定律及WINTE

10、L架构所决定的平衡正在打破 但一个由硬件 带 宽 内容构成的新平衡正在形成 终端性能 带宽的发展 永远也赶不上内容的 增长速度 三者总是维持一个动态的最佳平衡 Irving Wladawsky Berger 云计算就是将以前那些需要大量软硬件投资以及专业技术能力的应用 以基于 Web 服务的方式提供给用户 164 云计算主要应用 亚马逊网站 亚马逊网站 A 下称亚马逊 下称亚马逊 亚马逊的云名为亚马逊网络服务 Amazon WebServices 下称AWS 目前主要由4块核心服务组成 简单存 储服务 Simple StorageService S3 弹性计算云 Elastic Compute

11、 Cloud EC2 简单排列服务 Simple QueuingService 以及尚处于测试阶段的SimpleDB 换句话说 亚马逊现在提供的是可以通过网 络访问的存储 计算机处理 信息排队和数据库管理系统接入式服务 谷歌公司 谷歌公司 Google 下称谷歌 下称谷歌 围绕因特网搜索 又以应用托管 企业搜索以及其他更多形式向企业开放了他们的 云 谷歌推出了谷歌应用软件引擎 Google AppEngine 下称GAE 这种服务让开发人员可以编译基于 Python的应用程序 并可免费使用谷歌的基础设施来进行托管 最高存储空间达 500MB 最近 谷歌还 公布了提供可由企业自定义的托管企业搜索

12、服务计划 Salesforce 是软件即服务厂商的先驱 它一开始提供的是可通过网络访问的应用软件 其他软件即服务厂商已如雨后春 笋般蓬勃而起 Salesforce的下一目标是 平台即服务 该公司正在建造自己的网络应用软件平台F 这一平台可作为其他企业自身软件服务的基础 F包括关系数据库 用户界面选项 企业逻辑以及一个名为Apex的集成开发环境 程序员可以在 平台的Sandbox上对他们利用Apex开发出的应用软件进行测试 然后在Salesforce的AppExchange目录上 提交完成后的代码 利用他们平台提供的开发环境开发应用 并将应用托管在平台上 利用他们平台提供的开发环境开发应用 并将

13、应用托管在平台上 微软公司微软公司 根据有些厂商的预想 未来绝大部分的IT资源都将来自云计算 但微软的宏伟计划是 提供均衡搭配的企业级软 件 合作伙伴托管服务以及云服务 微软将其称为 软件加服务 software plus services 为为IT资源平台运营商提供共享软件和服务 单客户只需购买授权和服务 资源平台运营商提供共享软件和服务 单客户只需购买授权和服务 针对中小型企业 将推出软件即服务产品包括Dynamics CRM Online Exchange Online OfficeCommunications Online 以及SharePointOnline 每种产品都具有多客户共享

14、版本 单客户版本的授权费用在5 000美元以上 针对普通用户 微软的在线服务还包括Windows Live Office Live和Xbox Live等 云计算整合服务提供商自有资源 以提供可共享云计算整合服务提供商自有资源 以提供可共享IT服务环境 该环境可按需获取虚拟资源和服 务 基于云平台自动化和可靠管理等 虚拟资源具有按需动态伸缩 稳定 可靠 安全等特 点 用户可按需付费 透明使用 有高服务质量保障 最终可节省企业 服务环境 该环境可按需获取虚拟资源和服 务 基于云平台自动化和可靠管理等 虚拟资源具有按需动态伸缩 稳定 可靠 安全等特 点 用户可按需付费 透明使用 有高服务质量保障 最

15、终可节省企业IT运营成本 运营成本 165 云计算与网格计算的区别 云计算和网格计算本没有任何关系 至于云计算和分布式计算 效用计算等概念 读者可以以此 类推 云计算和网格计算本没有任何关系 至于云计算和分布式计算 效用计算等概念 读者可以以此 类推 狭义云计算是指狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的资 源 硬件 平台 软件 提供资源的网络被称为 基础设施的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的资 源 硬件 平台 软件 提供资源的网络被称为 云云 云云 中的资源在用户看来是可以无限扩 展的 并且可以随时获取 按需使用 随时扩展

16、按使用付费 这种特性经常被称为像水电一样 使用 中的资源在用户看来是可以无限扩 展的 并且可以随时获取 按需使用 随时扩展 按使用付费 这种特性经常被称为像水电一样 使用IT基础设施 基础设施 广义云计算是指服务的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的服务 这 种服务可以是 广义云计算是指服务的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的服务 这 种服务可以是IT和软件 互联网相关的 也可以使任意其他的服务 和软件 互联网相关的 也可以使任意其他的服务 云计算不是一种商业模式 不是一种付费模式 不是一种云计算不是一种商业模式 不是一种付费模式 不是一种IT技术 不是一类技术 不是一类IT产品 不是一种付 费模式 不是 产品 不是一种付 费模式 不是SOA 不是虚拟化或虚拟化软件 不是简单地将购买变为租赁 不是分布式计算 不是高性能计算 不是网格计算 不是软件即服务 不是虚拟化或虚拟化软件 不是简单地将购买变为租赁 不是分布式计算 不是高性能计算 不是网格计算 不是软件即服务 SaaS 网格计算是指分布式计算中两类比较广泛使用的子类型 一类是 在分布式的计算