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1、计算机科学发展概论报告高性能超级计算机1.超级计算机的概述超级计算机是指“在给定时间内可提供最大、最快和最强能力的大容量大型计算机”。超级计算机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。目前，该项目已经成为世界各国争夺的战略制高点。2.超级计算机的发展历程1975年至今，超级计算机经历了三次革命性的发展：向量超级计算；多CPU上的并行超级计算；分层组织的、带有高速缓存的微处理器群集上的超级计算。 向量超级计算的概念是指为了在一个时钟周期内作更多的计算，而将很多计算部件放在一个CPU内，我
2、们也可称之为矢量计算。向量计算机可以对多组数据（每组一般为两个数据）成批地进行同样的计算，进而得到成批的结果。20世纪70年代末期，以向量超级计算为主的机器出现了，如CDCCyber205和Cray-1，其中Cray-1更加流行。 80年代初期，大规模并行处理流行起来，虽然向量计算的出现使计算机性能的提高达到了指数级。但是由于超级计算机的CPU速度已接近其时钟速度的物理极限，所以，要继续提高性能也就意味着必须投入多个CPU来同时为一个程序工作，人们将大量小的处理单元用互联网络连接起来，成为大规模并行处理系统。20世纪80年代，Cray向量计算机的处理器数量增加到了16个。这些处理器的控制中心把
3、它们作为共享资源进行管理，而这个控制中心最关心的就是如何使输入输出总量达到最大。由于用几个处理器有效地处理一件单一工作具有一定困难，所以通常通过一个处理器处理一件工作、多个处理器同时处理多个工作的方式来提高计算机的输入输出总量。如今正在出现的大规模并行处理器，将使所有处理器完成单一的工作成为可能。这种运行方式上的转变，对加快应用程序向这种新机器上的移植起了很大的推动作用。 随着技术的不断发展，超级计算机越来越多的采用集群技术，采用标准的网络技术将商业市场所支持的少数功能强大、经济高效的机器结合在一起的系统。将已建立的一些标准单处理器工作站网，经过多处理器工作站之间的协调，来解决单一问题，从而得
4、到了全面的超级计算机性能并将群集计算带入了超级计算领域。3.超级计算机的衡量指标机群系统的主要性能指标有峰值速度、实测速度和运行效率等，计算速度一般以计算机系统“每秒执行的浮点运算次数”(FloatingpointOperationsPerSecond，Flops)为单位，并定义了扩展单位MFlops(百万次浮点运算每秒)、GFlops(十亿次浮点运算每秒)、TFlops(万亿次浮点运算每秒)和PFlops(千万亿次浮点运算每秒)等。3.1峰值速度峰值速度通过计算得出，故也称理论峰值速度，其计算公式为【理论峰值速度(亿次)=节点机每个CPU主频(MHz)CPU每个时钟周期执行浮点运算的次数CP
5、U总数目/108】。例如，“天河一号”的峰值速度为1206万亿次每秒(TFlops)或1.206千万亿次每秒(PFlops)。3.2实测速度用评测软件对机群系统计算速度的实际测试值，目前国际上通用的超级计算机或高性能计算机评测软件是Linpack这是一套采用求解线性方程组和特征值问题的方法来综合评价超级计算机浮点运算性能的基准测试软件。实测速度能更客观地反映系统的实际计算性能，对用户而言，实测速度比峰值速度更有意义。3.3运行效率一般是指超级计算机实测速度与峰值速度的比率。运行效率越高，表明系统具有的处理资源等经过合理的系统设计得到了更有效的发挥。相对于由处理器数量和性能决定的理论峰值速度而言
6、，运行效率显然是一个能够更全面、科学地反映超级计算机性能和技术先进性的指标。4最快的超级计算机4.1速度单位超级计算机速度以每秒的浮点运算FLOPS来作量度单位。 常见的表示电脑中的数量或速度用的单位英汉对照如下： 1K=210=1,0241M=220=1,0241,024=1,048,5761G=230=1,0241,0241,024=1,073,741,8241T=240=1,0241,0241,0241,024=1,099,511,627,7761P=250=1,0241,0241,0241,0241,024=1,125,899,906,842,6241E=260=1,0241,0241
7、,0241,0241,0241,024=1,152,921,504,606,846,9761Z=270=1,0241,0241,0241,0241,0241,0241,024=1,180,591,620,717,411,303,4241Y=280=1,0241,0241,0241,0241,0241,0241,0241,024=1,208,925,819,614,629,174,706,176（电脑中的进制在涉及缩写时通常是以210(1024)为进制，前缀缩写引用国际单位制词头。）4.2世界最快的超级计算机K ComputerK代表日语中的kei，意思是一万万亿，也就是这台超级计算器每秒将能运
8、算的次数。Kcomputer的运算速度比目前全世界最强大的超级计算机Jaguar快5倍。Jaguar是美国CrayInc.公司开发的，位于美国田纳西州橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory)。KComputer将拥有8万个处理器，每个处理器配备8个处理核心，也就是说它拥有共计64万个电子大脑。富士通表示，如果要模拟运算人类心脏在新药物作用下产生的反应，利用目前的超级计算机需要约两年时间，而新的超级计算机能把时间缩短为两天。超级计算机K的运行速度为每秒8.16千万亿次浮点计算(Petaflops)，由68544个SPARC64VIIIfx处理器组成，每个处理器均内
9、置8个内核，总内核数量为548352个。据富士通称，该款超级计算机仍在建造之中，将于2012年11月投入运行，届时处理器数量将增加到8万个。Kcomputer项目致力于让日本再次进入全球超级计算机大国排行榜的前列，其系统能够处理气候变化和天气模式等复杂运算。它还能让日本企业界拥有一个强大的运算工具，以寻求在医药、材料和新技术方面的突破。该项目是富士通与日本理化学研究所(JapansInstituteofPhysicalandChemicalResearch，也被称为Riken)合资研发的，预计于2012年完工，耗资1100亿日圆（约13.2亿美元）。据国际数据公司的统计，过去五年来，日本政府和
10、企业平均每年投入2.784亿美元研发超级计算机，而美国每年投入12.8亿美元，中国投入6780万美元。4.3中国最快的超级计算机天河一号是由国防科学技术大学研制成功，在中国高性能计算机TOP100组织公布的2009年度前100强排名中，天河一号高居榜首，天河一号的诞生，是中国战略高技术和大型基础科技装备研制领域取得的又一重大创新成果，实现了中国自主研制超级计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机系统的国家。中国高性能计算机TOP100组织2010年10月28日称，经过技术升级之后，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”的实测性能是目前已知
11、全球最快计算机的1425倍。天河一号超级计算机是世界高新技术领域的战略制高点，是体现科技竞争力和综合国力的重要标志。各大国均将其视为国家科技创新的重要基础设施，投入巨资进行研制开发。中国首台千万亿次超级计算机系统的成功问世，是中国高性能计算机技术发展的又一重大突破，是国家和军队信息化建设的又一重要成果，为解决中国经济、科技等领域重大挑战性问题提供了重要手段，对提升综合国力具有重要战略意义。“天河一号”是国防科技大学承担国家863计划“千万亿次高效能计算机系统研制”重大攻关项目取得的标志性成果。该校与天津市滨海新区密切合作，于2009年9月研制成峰值性能为每秒1206万亿次的首台千万亿次超级计算
12、机系统，实现了中国自主研制超级计算机从百万亿次到千万亿次的跨越。中国从此成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。天河一号适用于大规模科学与工程计算。国防科大正与天津滨海新区密切合作，将“天河一号”广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报、气候预测、海洋环境数值模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、土木工程设计、基础科学理论计算等方面。 天河一号作为天津滨海新区和国防科大共同建设的国家超级计算天津中心的业务主机，面向社会开放，实现资源共享，为国内外提供超级计算服务，同时带动高科技服务产业和高端信息产业发
13、展，着力打造高新科技服务、产业技术创新、人才聚集培养三个平台，为经济、社会发展提供高科技支撑。中国国防科技大学公布了新研制成功的中国运算速度最快的超级计算机，每秒峰值运算速度逾千万亿次，可与目前世界上最强大的计算机比肩。天河一号一天的计算量相当于一台主流个人电脑不间断地计算160年。这套重155吨的先进系统，由103个冰箱大小的银灰色机柜组成，占地面积约1000平方米。它耗资6亿元，由中国高技术研究发展计划和天津滨海新区共同资助。超级计算机被用来完成普通和服务器不能完成的大型复杂课题。天河一号将主要用于石油勘探、生物医药研究、航空航天装备研制、新材料开发等领域。凭借着每秒1.206千万亿次的峰
14、值速度和563.1万亿次的Linpack实测速度（国际公认的超级计算机性能衡量标准），天河一号在刚刚发布的中国超级计算机100强中排名第一。它已被提名参加2009年11月的世界超级计算机500强排名。参照半年前的世界排名，它可居第四。经过技术升级优化后的“天河一号”超级计算机系统，以峰值性能每秒4700万亿次、持续性能每秒2507万亿次的优异性能再登榜首。据专家介绍，“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上，这一运算性能目前已刷新了当前世界超级计算机系统运算速度的纪录。天河一号是200多名计算机专家耗时两年研制成功的，天河一号现在国防科大继续调试，并将在2010年底前安装
15、在国家超级计算天津中心。天河一号装有6144个英特尔和5120个公司的，它的存储量相当于4个藏书量为2700万册的中国国家图书馆之和。世界上的超级计算机还很少使用加的体系结构。是图形处理器，扮演加速器的作用，它加快了计算机的运行速度，却降低了功耗和成本。天河一号在天津安装后将增加中国制造的芯片，而实测速度也将提高到800万亿次以上。虽然“天河一号”每年的电费可高达1800万元，但根据6月国际超级计算机能效排名，它依然算得上世界上最环保的5台超级计算机之一。 在世界超级计算机500强6月排名榜中，美国占291席，欧洲占145席，亚洲占49席。前10名都是美国的产品。中国大陆有20台超级计算机进入
16、这个榜单，但它们的核心中央处理器都靠进口。另一个有能力的制造商曙光公司也在研制自己的千万亿次超级计算机，计划于2010年推出。5超级计算机的应用领域通常把大型和超级计算机称为高性能计算机，应用广泛，主要领域可概括为以下十个方面： 5.1石油勘探地震勘探是确定地质构造的重要方法，在石油地质勘探中占据十分重要的位置。石油钻井井位的确定很关键，定错一个井位，达不到勘探目的，损失将十分惨重。一般而言，100平方公里的三维地震资料数据多达30GB-60GB，这些海量数据的分析计算、深度偏移技术和成像技术，需要使用每秒10亿次运算速度的计算机运算60天。5.2卫星图象处理微波成象数据十分庞大，而且微波成象处理有比
