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1、中国工程科学Engineering Science2001 年 6 月第 3 卷第 6 期J un . 2001Vol13 No16专 题 报 告高性能计算机的关键技术和发展趋势金怡濂 ,黄永勤 ,陈左宁 ,桂亚东 ,漆锋滨(国家并行计算机工程技术研究中心 , 北京100080) 摘要 介绍高性能计算机的关键技术和发展趋势 。简要回顾高性能计算机的发展历史和当前形势 , 重点讨论大规模并行处理 ( M PP) 所面临的挑战 , 包括可扩展性 、友善性和可用性 。介绍神威高性能计算机及其应用情况 , 并对如何发展我国高性能计算机提出一些初浅的看法 。 关键词 大规模并行处理 ; 系统软件 ; 并
2、行编译 ; 系统效率 ; 可扩展性 ; 可用性萌芽 阶 段 有 代 表 性 的 计 算 机 包 括 1964 年 的CDC 6600 、70 年代初的 A SC 和 S TA R - 100 向量 机 、1974 年的 ILL IAC - 并行机 。CDC 6600 被引言1高性能计算机自诞生以来已走过了漫长的历程 , 在1964 2000 年的 36 年中 , 运算速度从 1 Mflo/ s 提 高到 12 Tflo/ s , 高性能计算机不仅在运行速度上 提高了 7 个数量级 , 而且在体系结构 、软硬件技 术 、算法和应用等方面都发生了巨大的变化 。现代科学技术没有哪一项像计算机发展如此
3、迅猛 , 更新 换代如此迅速 。由于科学和工程计算需求的牵引 , 以及正在发展的知识经济的驱动 , 高性能计算机的 发展是永无止境的 , 提高计算机的运算速度是计算 机发展中永恒的主题 。如今 , 计算机科学家和工程师们计划在 20052010 年把高性能计算机的运算 速度提高到拍次每秒 。实现这样的宏伟目标 , 决不 是一帆风顺的 。当前 , 高性能计算机突破了太量级 以后 , 正面临着极其严峻的挑战 。公认为世界上第一台巨型机 , 运算速度 1 Mflo/ s 。S TA R - 100 是世界上最早的向量机 , 由于研制周期长 , 所采用的技术如磁芯存储器等在机器研制完 成时已落后 ,
4、未能进入市场 。ILL IAC - 是最早的 S IMD 阵列计算机 , 原计划由 4 个象限共 256 个 处理单元组成 , 实际只安装了一个象限 , 由于其编 程模式与当时使用的大型机大相径庭 , 程序员必须 考虑问题的规模如何与固定的机器规模相适应 , 加 上机器稳定性差 , 使该机未能得到推广 。212 向量机鼎盛阶段 (1976 1990 年)1976 年 Cray 公司推出 Cray - 1 向量机 , 开始 了向量机的发展阶段 。在短短 10 多年中 , 相继出 现了 Cray - 2 、Cray - XM P 、Cray - YM P 和 Cray- C90 , D EC 公司
5、的 VA X 9000 , Co nvex 公司的 C3800 系列 , N EC 公司的 SX 系列 , 富士通公司的 V P P 系列等 。向量机得以发展的原因是向量处理 对提高机器运算速度十分有利 , 主要表现在 :1) 有利于流水线的充分利用 , 可以缩短周期 ,提高主频 ;举世瞩目的 30 年在过去的 30 多年中 , 高性能计算机经历了三 个发展阶段 , 即萌芽阶段 、向量机鼎盛阶段和大规 模并行处理机 ( M P P) 蓬勃发展阶段 。211萌芽阶段 (1964 1975 年)2 收稿日期 作者简介 修回日期 2001 - 03 - 032001 - 01 - 18 ;金怡濂 (
6、 1929 - ) , 男 , 天津市人 , 中国工程院院士 , 国家并行计算机工程技术研究中心研究员2) 有 利 于 多 功 能 部 件 的 充 分 利 用 , 特 别 是“链接”功能增加了并行处理能力 ;局面 , 开始走向大发展 。各种新技术层出不穷 , 如虫孔寻径技术 、微内核操作系统 、并行编译等 。这 一时 期 出 现 了 若 干 代 表 机 型 : BBN 公 司 的 TC2000 , Intel 公司的 Parago n , TMC 公司的 CM - 5 ,KSR 公司的 KSR - 1 , Cray 公司的 T3D , IBM 公 司的 SP2 等 。1996 年 是 M P
7、P 的 丰 收 年 , 推 出 的 M P P 包 括 : Cray 公 司 的 T3 E1 , Hitachi 公 司 的SR 2201 , S GI 公司的 Origin 2000 2 , HP/ Co nvex公司的 SP P 2000 和 Intel 公司的 A SC I Red 。其中 ,1996 年 12 月宣布的 A SC I Red , 第一次将运算速 度提高到太次每秒以上 。截止 2000 年 11 月 , 世界 上已有 18 台太次每秒机 , 其中包括一台商用系统 ,7 台 Linpack 性 能 超 过 1 Tflo/ s 。TO P 500 3 的 前10 台均为 M
8、P P , M P P 已成为高性能计算机的主流 产品 。表 1 列出了 TO P 500 前 5 台高性能计算机 。3) 减少了程序中辅助指令条数 ,运行时间 。缩短了程序到 80 年 代 ,出 现 了 并 行 向 量 多 处 理 机( PV P) , 依靠并行处理 , 进一步提高运算速度 。向量机成为当时高性能计算机的主流产品 , 占领了高 性能计算机 90 %的市场 。然而 , 事物的发展总有一定的限度 。到 80 年代末 , SX - 3 时钟周期已达到 219 ns , 时钟周期进一步提高难度很大 。Cray -3 机 , 时钟周期 2 ns , 进度一再推延 , 样机完成后难以形成
9、产品 。SS I 公司研制的 SS - 1 向量机 ,划时钟周期为 1 ns , 也因困难大而中止 。计213M P P 蓬勃发展阶段 (1990 )90 年代开始 , M P P 摆脱了多年来徘徊不前的表 1Table 1TOP 500 前 5 台高性能计算机 ( 据 2000 年 11 月 TOP 500)TO P 5 high perfo r mance co mp uters (f ro m TO P 500 Nov1 2000)处理机数量峰值速度/ Gflos - 1L IN PAC K 速度/ Gflos - 1型号公司国家年度ASCI WhiteIBM美国美国 美国 美国美国20
10、008 19212 2884 938ASCI RedIntel19999 6323 2072 379162 144ASCI Blue PacificIBM19995 8083 868ASCI Blue Mo untainS GI19986 1443 0721 608SP/ Power 3IBM20001 3362 0041 417的机器 ,一台为 IBM 公司研制的 BluePacific 机 ,M P P 发展形势高性能计算的需求是永无止境的 ,2另一台为 S GI 公司研制的 Blue Mo untain 机 。2000年 IBM 公 司 完 成 了 12 Tflo/ s 的 A SC I
11、 White 机 , IBM 和 Co mpaq 公 司 将 于 2003 年 分 别 完 成 30Tflo/ s 机 , 预计 2004 年 100 Tflo/ s 机将问世 ( 见 表 2) , 2005 年 IBM 公司 1 Pflo/ s 的 Blue Gene 专 用机将研制成功 。为了解决 10100 Tflo/ s 的关键技 术 , DO E 推出了 A SC I 的一个补充计划 , 即 Pat h2 fo rward 计划5 。该计划拟解决 4 项关键技术 , 即 : 可扩展互连技术 ; 分布并行操作系统 ; 并行程序调试和性能监测环境 ; 大容量数据存储技术 。 美国国防 部
12、 ( DOD) 提 出 的 “高 性 能 计 算 现代化计划 ( HPCM P) ”, 旨在以高性能计算为手段 将最新的科学技术尽快用于提高武器性能 、提高战 斗能力和防卫系统的水平 。计划分 10 个领域 , 如计算流体动力学 , 计算化学和材料科学 、大气/ 海 洋建模和模拟等 , 都需要更高性能的计算机 。如全球气候予测 、石油勘探 、核武器模拟 、航空航天设计 、人类基因研究 、生物科学研究等均需要更高性能的计 算机 。美国能源部 (DO E) 的 A SC I 计划是一个很 好的例证4 。该计划是在全面禁止核试验的情况 下 , 美国为了保持它的核威慑能力和核垄断地位而 提出的一项 “
13、先进战略计算创新”计划 。通过 A S2C I 计 划 , 美 国 用 计 算 的 方 法 代 替 核 试 验 的 方 法 ,以数字方程和三维建模仿真核武器爆炸的效果 , 确 保现有库存核武器的性能 、安全和可靠性 , 并希望 使库存 核 武 器 的 寿 命 远 远 超 过 它 们 的 设 计 寿 命 。 A SC I 计划共投资 10 亿美元 , 先后研 制 5 台 1 100 Tflo/ s 的高性能计算机 。第一台是上面已提及的 A SC I Red , 118 Tflo/ s , 1996 年 宣 布 , 1999 年 升级至 312 Tflo/ s 。1999 年还完成了 2 台 3
14、 Tflo/ s第 6 期金怡濂等 : 高性能计算机的关键技术和发展趋势3表 2未来 5 年内 30100 Tf lo/ s 的高性能计算机Table 230100Tflo/ s high perfo r mance co mp uters in t he next 5 years型 号公 司安装地点美国 L ANL 美国 LL NL 美国 SNL 美国 L ANL处理机数量峰值速度 / Tflos - 130完成年限20012003200220032004 年以后2003 年以后ASCI Q( T30)Co mpaq12 000IBM10 240305112SC20480( T100)Co mpaq20 480Co mpaq/ S GI/ Sun/ IBM10 240100从系统结构的分类来看 , 高性能计算机除了传统的 SM P 、PV P 、M P P 外 , 还 有 一 些 新 的 动 向 : a1 定制高性能向量 CPU 构造 PV P 系统仍在发展 , 日立 SR 8000 是 一 台 高 性 能 PV P 系 统 , 在 TO P500 前 20 名中占有 4 台 , 其定制 CPU 采用伪向量 机制实现向量功能 , 性能为 12 Gfl
