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1、高性能计算发展与应用 上海超级计算中心编印12高性能计算发展与应用 2 0 0 6 年第三期 总第十六期美国总统信息技术咨询委员会 计算科学: 确保美国竞争力报告概要 高梓萍 北京应用物理与计算数学研究所 北京 1 0 0 0 8 8 樊秋良 北京应用物理与计算数学研究所 北京 1 0 0 0 8 8 袁国兴 北京应用物理与计算数学研究所 北京 1 0 0 0 8 8序言：2 0 0 5 年6 月，美国总统信息咨询委员会提交了P I T A C 报告，将计算科学提升到国家战 略竞争力加以阐述。本文对报告进行了简单总结，概括其中的主要内容，供大家参考。1 . 背景 2 0 0 4 年中，美国总统
2、科学技术政策办公室指示 总统信息技术顾问委员会在网络和信息技术研究与 发展 ( N I T R D ) 计划以及联邦政府资助的其他研究与发 展计划的基础上，对如何大力发展计算科学从而确 保美国在各个领域的竞争力以及联邦政府、工业界 和其他私营部门分别扮演的角色等方面进行深入研 究。为此总统信息技术咨询委员会专门成立了计算 科学分委员会，展开了调研工作。 情况调研和建议收集工作超过一年。计算科 学分委员会听取了联邦政府、学术界和工业部门计 算科学专家的汇报；查阅了大量文献；并且通过总 统信息技术咨询委员会的会议和公开座谈会以及书 面材料获取公众意见。2 0 0 4 年1 1 月4 日和2 0 0
3、 5 年1 月 1 2 日，总统信息技术咨询委员会讨论和评审了计算 科学分委员会提出的调研结论和建议草案。2 0 0 5 年 4 月1 4 日，总统信息技术咨询委员会大会批准了调 研结论和建议，2 0 0 5 年5 月1 1 日批准了最终报告。 2 0 0 5 年中，总统信息咨询委员会正式发布了题为 计算科学：确保美国竞争力的长篇研究报告。 通过广泛调研，总统信息技术咨询委员会发 现，计算科学对科学、经济、社会和国家安全作出 了重要贡献。然而，由于研发（R ( c ) 由于数据爆炸性增长，应重视传感器与数据密 集型计算科学应用软件。5 . 1 计算科学软件在程序的复杂性和易使用性方面 尽管随着
4、计算机价格的降低，其性能在不断 增加，但是却依然保持着很高的人力成本。得到的 系统难以编程，并且实际得到的性能远远低于其理 论峰值。今天的科学应用软件通常是使用上一代的 软件工具发展起来的。 在许多情况下, F o r t r a n 语言( 5 0 年历史) 和C 语 言( 3 5 年历史) 仍然是主要的编程语言。大多数的低水 平的并行程序仍然基于M P I （消息传递界面）, 消息 传递模型需要应用软件开发者有很深的应用软件知 识及能力，并且与底层计算机基础硬件通讯时，更 像是用汇编语言进行编程。这一切给开发者造成了 大量的智力负担，进一步限制了高端计算系统的可 用性，也限制了想进入这一领
5、域的研究人员入门。 高性能F o r t r a n ( HP F ) 融合了一套合理的思 想，将现有语言扩展成数据并行一体化，但是为什 么它不是很成功呢? 主要有四个原因: ( 1 ) 不完善的编 译技术，再加上高性能计算机界缺乏耐性; ( 2 ) 对这 种语言适用广泛应用问题的重要性重视不够; ( 3 ) 缺 少H P F 程序库开源的实现; ( 4 ) 程序和性能之间的复 杂关系, 使得性能问题难以识别并得到解决。然而， H P F 融入大量合理的思想，这将成为下一代高性能计 算机语言的一个部份。除此之外, 十年的研究与发展 已经克服许多故障。从中吸取的主要教训是维持技 术长期投资的重要
6、性。 要想计算机系统更广泛而且更容易使用, 我 们必需重点强调解决时间问题，这也是计算科学家 衡量解决方案的主要标准。在发展计算科学软件的 过程中，我们必需通过教育、额外资助定向软件 项目和那些需要合适软件工程过程的大型多团体项 目，来支持有益的软件工程实践。新的编程模型、 语言以及具有多种表现形式的高水平软件工具应当 隐藏结构细节和并行性。发展新的或者购买更现代 的先进软件将需要更多的投资, 而这些费用仍有障 碍, 包括实际的障碍和心理障碍。为了解决这一问 题，需要新的观念和一个长期的投资资源承诺。高性能计算发展与应用 上海超级计算中心编印20高性能计算发展与应用 2 0 0 6 年第三期
7、总第十六期在软件的可扩展性和可靠性方面 并行计算、网络平台、高度并行和分布式系 统的复杂性在迅速上升。今天拥有1 0 0 0 个处理器的 并行系统将很快演变成明天拥有1 0 0 0 0 0 个处理器的 并行系统。因此，今天计算科学中最大的挑战也许 是在所有的硬件水平上( 处理器、节点和系统) 软件的 可扩展性。除此之外，为了实现并行硬件结构的最 大性能，必须需要这样的底层软件，该软件必须提 供足够的协同运行，以便恰当有效地利用多级硬件 水平。5 . 2 体系结构和硬件 对于美国来说，为了在计算科学方面扮演领导 角色, 我们必需确保财政投入以及器件、系统、专业 技术国内厂商的生存能力。为了满足现
8、在和未来的 需要，美国政府必须负起主要责任，加速改进计算 机体系结构，并且确保有多个强大的国内供应商， 包括能解决计算科学问题的硬件和软件供应商。 政府必需开始下一代的算法、软件、硬件研究 计划，其目的是建立先进的新一代计算机系统原型。5 . 3 自然科学和社会科学算法与应用 在历史上, 计算科学主要与物理和工程科学相联 系。然而, 随着生物学模型和数据的大量增长，生物 医学和生物学已经从计算科学中受益，只不过它依 赖的是新的计算科学算法、工具和技术。同样重要 的是，社会科学和人文学科现在是计算机技术的主 要消费者，需要处理大量的数据，显然不同于物理 科学领域。所有的领域会受益于改进的数值和非
9、数 值算法、数据管理、挖掘技术（m i n i n g t e c h n o l o g y ） 和简单易用的合适软件。5 . 4 数据管理 今天，大多数的数据和文件本身就是数字式 的，而不需要由模拟转化过来。现在，多达几兆象 素的图像是很普通的, 不论是从消费者的照相机还是 从探测仪器以及我们的数据仓库，其存储量估计正 以每年3 0 %的比率增长 L y m a n ，2 0 0 3 。没有对计算 模拟、数据和文本的挖掘，没有可视化和其它的分 析工具，不可能有效分析大规模的数据集。参考文献： 1 P r e s i d e n t s I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y A d v i s o r y C o m m i t t e e ( P I T A C ) , C o m p u t a t i o n a l S c i e n c e : E n s u r i n g A m e r i c a s c o m p e t i t i v e n e s s , J u n e 2 0 0 5 .
