超级计算与超级计算机

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1、超级计算与超级计算机一、超级计算与超级计算机的概念超级计算机（Supercomputer）,又称“巨型计算机”由成千上百甚的处理器（机）组 成，能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算。其基本组成组件与个人电脑的 概念无太大差异，但规格与性能却强大许多。超级计算机具有很强的计算和处理数据的能力， 其主要特点为：高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。“超级计算”（Super-computing）,这名词第一次出现是在媒体“纽约世界报”于1929 年关于IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机（tabulator）的报导。介于网络上少有超级计算 的相关定义，在阅读了一

2、定数量的资料后将其归纳为：超级计算是一种将超级计算机用于解 决各个方面实际问题的技术。二、超级计算机的设计原理把复杂的工作细分为可以同时处理的工作并分配于不同的处理器。在进行特定的运算方 面表现突出。其数据结构是经过精心设计来确保数据及指令及时送达一一传递速度的细微差 别可以导致运算能力的巨大差别。其输入输出系统也有特殊设计来提供高带宽。根据阿姆达尔定律1，超级计算机的设计都集中在减少软件上的串行化、用硬体在瓶颈 上加速。三、因超级计算机而产生的技术由于超级计算机的功能强大，各种问题就不断的出现，最典型的几个问题是：在短时间 耗用及生产大量数据，需要投入很多资源确保资讯妥善传送及访问；常产生高

3、热，需要冷却。 而针对这些问题，科学家们进行研究并提出解决方案，下面就针对以上问题简要介绍目前的 解决方法。1矢量处理器：又称“中央处理器（CPU）”是目前电子计算机的主要而又重要设备。其功能主要为解 释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机（超级计算机）而定制的。但这种 昂贵的、为特定应用定制中央处理器的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用 于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年 代，随着集成电路的出现而加速。集成电路使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中 设计和制造（在微米的量级）。中央处理

4、器的标准化和小型化都使得这一类数字设备（电子 零件）在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器被用于普通 电脑内的信号处理架构及单指令流多数据流（SIMD）,例如：电视游乐器、通用图形处理器 （GPGPU）等。2非均匀访存模型（NUMA）：特点是:被共享的存储器物理上是分布式的，所有这些存储器的集合就是全局地址空间。 所以处理器访问这些存储器的时间是不一样的，显然访问本地存储器的速度要比访问全局共 享存储器或远程访问外地存储器要快些。另外，NUMA中存储器可能是分层的：本地存储 器，群内共享存储器，全局共享存储器。3水冷技术：电脑水冷系统，是电脑常用的液体冷却系统。是指以

5、水或其他高比热容量的液体作媒界, 以协助带走内部零件的热能。一套完整的电脑水冷系统，一般会有：导热金属接触面、水喉、帮浦、散热排。而零件的热能是以金属接触面传导至冷却液,再由喉管把加热了的冷却液流至散热排处 散热，而帮浦则把液体再次泵出。不断如此，就达成了以液体冷却的作用。但每一种技术总会存在好坏两个方面，下表简单的说明了水冷技术的优缺点。优点缺点1减少风扇所产生的振动及噪音。2.散热效果比风冷系统咼。1水冷散热器用具庞大，占用大量空间。2. 价钱比风冷系统咼。3. 结构复杂，可靠性较差。4组装失误或材料不佳时，会漏水，损害电脑零件。4油冷技术：2012年，英特尔与Green Revoluti

6、on Cooling合作研究的矿物油冷却服务器的技术试验 已经结束，在这项为期长达一年的试验中，英特尔利用矿物油对服务器进行冷却，比较与传 统的空气冷却技术的耗能。实验数据表明矿物油冷却技术比传统的空气冷却的耗能要低90% 至 95%。Green Revolution Cooling (GRC),是一家致力于改善服务器制冷技术的，位于德克萨斯 州的公司，主要提供液体冷却技术解决方案(利用比热容是空气的1200倍的一种矿物油来 对服务器进行冷却，使得冷却耗能最高节省了 95%)。在2009年超级计算机大会上，Green Revolution Cooling推出了矿物油制冷技术，并且在2010年的

7、超算大会上被选为2009年年 度突破性技术。四、超级计算机的速度单位一个 MFLOPS (megaFLOPS) 一个 GFLOPS (gigaFLOPS) 一个 TFLOPS (teraFLOPS) 一个 PFLOPS (petaFLOPS) 一个 EFLOPS (exascaleFLOPS)以每秒浮点运算次数FLOPS (floating-point operations per second )来作量度单位，常 见的表示电脑中的峰值或速度用的单位英汉对照如下：等于每秒100万(=106)次的浮点运算等于每秒10亿(=109)次的浮点运算等于每秒1万亿(=1012)次的浮点运算等于每秒1千万

8、亿(=1015)次的浮点运算等于每秒100亿亿(=1018)次的浮点运算为更好的理解超级计算机的运算速度，把普通计算机的运算速度比做成人的走路速度, 那么超级计算机就达到了火箭的速度。在这样的运算速度前提下，人们可以通过数值模拟来 预测和解释以前无法实验的自然现象。五、超级计算机的发展(后附大事年表)(一)世界范围1历史：早期的控制数据公司机器可达十倍速于竞争对手，但仍然是比较原始的标量处理器2。到了 1970年代，大部分超级计算机就已经是矢量处理器了，很多新进者用自行开发的廉价 处理器来攻占市场。1980年代初期，业界开始转向大规模并行运算系统，这时的超级计算 机由成千上万的普通处理器所组成

9、。1980年代中叶，将适量的矢量处理器（一般由8个到16个不等）联合起来进行并行计算成为通用的方法。1990年代以后到21世纪初，超级 计算机则主要由基于精简指令集（RISC）的处理器（譬如Power-PC、PA-RISC或DEC Alpha） 互联进行并行计算而实行。2克雷（Cray ）公司：1960年代，超级计算机由希穆尔克雷（Seymour Cray）在Control Data Corporation里 设计出来并领先市场，直到1970年代克雷创立自己的公司“克雷研究”（Cray Research）。 凭着他的新设计，他控制了整个超级计算机市场，并占据颠峰位置长达五年（1985-1990

10、）。 今天，超级计算机成了一种由像IBM及惠普等大型电脑公司所特意设计的电脑。虽然这些 公司通过不断并购其他公司而增强了自己的经验，但元老公司一一克雷研究一一依然是超级 计算机领域的巨头之一。3专用超级计算机：针对单一问题而开发的电脑。这些电脑都使用专门编程的FPGA芯片及超大型密集芯 片，纵然牺牲普遍性也要提高成本性能比率。例如：深蓝（Deep Blue）是由IBM开发，专门用以分析国际象棋的超级电脑。1997年5月曾 击败国际象棋世界冠军卡斯巴罗夫。GRAPE-DR节能超级计算机系统，由日本东京大学和日本国立天文台共同开发，专门 用于天文物理。现在名列Green500子项目“Little

11、Green500 List”全球最节能超级计算机最 新榜单冠军。Deep Crack，DES 解码器4亿亿级超级计算机：据英国广播公司近日报道，美国国防部高级研究计划局（Darpa）正在紧锣密鼓地研制 亿亿级（exascale， 10的16次方）超级计算机，该计算机每秒能够进行亿亿次（exaflop）浮点运算，其运行速度将是目前世界上运算速度最快的计算机Jaguar （美洲豹）4的1000 倍左右。Darpa已经授权英特尔公司、英伟达公司、麻省理工学院、桑迪亚国家实验室等携 手打造该超级计算机，Darpa预计原型机将于2018年研制成功。Darpa表示，新超级计算机主要用于分析军事设备和传感器

12、产生的海量数据。新研究项 目名为“普适高性能计算（UHPC）”，旨在冲破摩尔定律的藩篱。另据英特尔公司的网站报 道，英特尔将联合法国研究机构，建立欧洲Exascale研发中心，共同研发exaflop级别的超 级计算机。让超级计算机的运算速度达到每秒亿亿次不仅仅是计算机发展史上的一个里程碑，它也 将让很多学科跃上新的高度；让科学家和医生更好地理解海量数据；让科学家研发出新的技 术来使云计算达到一定的规模，使庞大的分布式计算机能够模拟现实；帮助研究人员创建三 维立体可视图像而非视频游戏来运行无穷无尽的假定推测情景，以此增加细节的精确度。而 且，亿亿级超级计算机系统也将在高清晰气候模型的设计和制造、

13、生物能源产品的研制、智 能栅格的研发以及熔解能源的设计等方面大显身手。（二）、我国超级计算机的发展史我国的超级计算机研制起步于60年代。到目前为止，大体经历了三个阶段：第一阶段， 自60年代末到70年代末，主要从事大型机的并行处理技术研究；第二阶段，自70年代末 至80年代末，主要从事向量机及并行处理系统的研制；第三阶段，自80年代末至今，主要 从事MPP系统及工作站集群系统的研制。经过几十年不懈地努力，我国的高端计算机系统 研制已取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”、“深腾”等一批国产高端计算机系统的出 现，使我国成为继美国、日本之后，第三个具备研制高端计算机系统能力的国家。1“银河

14、”系列：在国防科技大学计算机学院宽敞明亮的机房里，矗立着一个红黄两色相间的大机柜。这 就是我国自行设计和研制的第一台每秒运算速度达亿次的超级计算机“银河一I”。它的 诞生，使我国成为继美国、日本之后第三个能独立设计和研制超级计算机的国家。“银河”系列超级计算机如今广泛应用于天气预报、空气动力实验、工程物理、石油勘 探、地震数据处理等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。国家气象中心将“银河”超 级计算机用于中期数值天气预报系统,使我国成为世界上少数几个能发布5至7天中期数值 天气预报的国家之一。2“神威”系列：1996年，为加强我国高端并行计算机系统的研制，国家并行计算机工程技术中心正式 挂牌

15、成立，开始了神威系列大规模并行计算机系统的研制。1999年神威系列机的第一代产 品一一神威I型巨型机落户北京国家气象局，系统峰值为3840亿次浮点运算，该机在实际 应用中取得了很好的效果。于此同时，为顺应国际潮流他们还同步开展了神威“新世纪”集 群系统的研制。现已成功推出A、P两个系列的“新世纪”集群系统，其中A系列采用 Alpha21264处理器，P系列采用Intel Xeon处理器，两款的最大规模均可扩至千余节点。目 前该系统已广泛地应用于石油、物探、生物、气象和材料分析等各个领域。3“深腾”系列：90年代末以生产个人电脑和服务器著称的联想集团，也加入了研制高端计算机系统的 行列,且一鸣惊

16、人。2002年由该集团研制的运算速度超过每秒万亿次浮点运算的深腾1800” 高端计算机系统在北京中关村诞生。它是我国第一台由企业研制开发的万亿次级计算机产 品，标志着国内大型IT企业开始进入高性能计算领域的研究开发。在当年11月公布的全球 高性能计算机TOP500排行榜中，“深腾1800”以每秒1.046万亿次浮点运算的实测性能排 在第43位，这也是我国企业生产的高端计算机系统首次入围TOP500。此外，该集团还于 1999年和2000年分别推出NS10000及NS20000高性能服务器集群系统，同期从事高性能 集群系统研究的还有清华大学和上海大学等单位。1999年由清华大学研制的“探索108”大 型群集计算机系统及高效能网络并行超级计算机THNPSC-1问世，其最