超级计算机现状与发展趋势

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1、超级计算机现状 与发展趋势 目录目录w一一. .什么是超级计算机什么是超级计算机w二二. .超级计算机的发展历程回顾超级计算机的发展历程回顾w三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w四四.下一代的超级计算机下一代的超级计算机序序w处于信息技术前沿的超级计算机一直是一个国家处于信息技术前沿的超级计算机一直是一个国家的重要战略资源的重要战略资源, ,对国家安全对国家安全、经济和社会发展具经济和社会发展具有举足轻重的意义有举足轻重的意义. .超级计算超级计算(SUPERCOMPUTING ) (SUPERCOMPUTING ) 、高性能计算高性能计算( High Performance Comput

2、ing, ( High Performance Computing, HPC )HPC )的话题在近两年来是一年比一年热的话题在近两年来是一年比一年热, ,不仅是不仅是因为国内市场上曙光因为国内市场上曙光、联想联想、浪潮等企业加大了投浪潮等企业加大了投入和市场宣传入和市场宣传, ,使广大用户能有更多机会去了解这使广大用户能有更多机会去了解这些深不可测的庞然大物些深不可测的庞然大物; ;而从全球的发展趋势中而从全球的发展趋势中, ,高性能计算机系统高性能计算机系统( (或超级计算系统或超级计算系统) )角逐激烈角逐激烈, ,从从万亿次万亿次(Teraflops)(Teraflops)到十万亿次到

3、十万亿次, ,甚至到千万亿次甚至到千万亿次( (peraflopsperaflops),),计算性能峰值的增长越来越快计算性能峰值的增长越来越快. .w 序序w 在传统的气象分析在传统的气象分析, ,石油勘探石油勘探、核实验模核实验模拟拟、蛋白质折叠等超级计算应用之外蛋白质折叠等超级计算应用之外, ,我们还看到我们还看到与我们生活息息相关的高性能计算应用与我们生活息息相关的高性能计算应用, ,包括汽车包括汽车制造设计制造设计, ,电影动画模拟电影动画模拟, ,药物研究及国家网格构药物研究及国家网格构建建. .可毫不夸张地说可毫不夸张地说, ,我们每一个人都在享受着高我们每一个人都在享受着高性能

4、计算的直接或间接的服务性能计算的直接或间接的服务一、什么是超级计算机一、什么是超级计算机w根据美国能源部劳伦斯根据美国能源部劳伦斯. .伯克利国家实验室伯克利国家实验室对对超级计算机超级计算机(HPC)(HPC)的定义的定义: :wHPCHPC是由是由8 8个或更多的计算机节点组成，作个或更多的计算机节点组成，作为单个高性能机器工作的集群。为单个高性能机器工作的集群。w通俗地讲，通俗地讲，超级计算机超级计算机就是能够进行大规就是能够进行大规模超速运算的计算机。模超速运算的计算机。二二.超级计算机的发展历程回顾超级计算机的发展历程回顾“巨型机之父巨型机之父”西蒙西蒙.克雷克雷w从真正意义上来说，

5、研制出符合超级计算机定义从真正意义上来说，研制出符合超级计算机定义产品的人应是产品的人应是西蒙西蒙. .克雷（克雷（S.Cray)S.Cray)博士博士, ,此人后来此人后来被西方称为被西方称为”巨型机之父巨型机之父”.1963年年,他研制出世他研制出世界上第一台巨型机界上第一台巨型机CDC6600,该共安装了该共安装了35万个晶万个晶体管体管,运算速度为运算速度为1MFLOPS.w在这以后在这以后,巨型机走过了五代巨型机走过了五代,即即单芯片系统单芯片系统、向量向量处理系统处理系统、大规模并行处理大规模并行处理(MPP)(MPP)体系体系、共享内存共享内存结构和机群系统结构和机群系统(CLU

6、STER).(CLUSTER). 超级计算机的日渐火超级计算机的日渐火爆也吸引了软件巨头微软爆也吸引了软件巨头微软. . 最近微软件表示他也最近微软件表示他也要涉足要涉足HPCHPC领域领域, ,已独立成立了已独立成立了“高性能计算高性能计算”部部门门, ,并计划针对并计划针对HPCHPC开发一款开发一款”Windows Server Windows Server HPC EditionHPC Edition”的新版本操作系统的新版本操作系统. .超级计算机的五代超级计算机的五代结构典型代表第一代单芯片系统CDC7600,IBM360第二代向量处理系统Cray XMP,Cray YNP,NEC

7、 SX2和我国的银河一号,银行二号第三代大规模并行处理(MPP)体系IBM SP2,Intel Paragon和我国的曙光2000,3000等第四代共享内存结构SUN E10000/15000,SGI Origin 2000/3000和我国的银河三号,神威一号等第五代机群系统(CLUSTER)国外的”雷鸣”.”闪电”,”红色风暴”和国内的曙光4000系列,联想1800/6800,浪潮天梭TS10000,巨星10000等.冯冯. .诺依曼体系超级计算机架构图诺依曼体系超级计算机架构图PMPPPPPPPPPMPPPPMPPPPSystem Area NetworkMMMM单处理器架构单处理器架构向

8、量处理器架构向量处理器架构共享内存多处理器架构共享内存多处理器架构分布内存多处理器架构分布内存多处理器架构关于机群关于机群(CLUSTER)架构架构w 根据根据TOP500TOP500官方网站的资料统计官方网站的资料统计, ,在荣在荣登榜名的系统中登榜名的系统中, ,有有320320套使用套使用INTELINTEL的处理的处理器器,54,54套使用套使用IBM POWERIBM POWER处理器处理器,48,48套采用套采用HP HP PA-RISC, PA-RISC, 采用采用AMDAMD处理器的有处理器的有3131套套. .w 在在TOP500TOP500中中, ,有有296296套系统采

9、用了机群系套系统采用了机群系统统. .占了占了49.8%.49.8%.在前在前1010名的系统中名的系统中, ,机群系统机群系统占了占了7 7个个. .w 机群系统采用机群系统采用普通商业芯片和内连技术普通商业芯片和内连技术. .关于机群关于机群(CLUSTER)架构架构w 机群架构脱胎于早年的大规模并行处理机群架构脱胎于早年的大规模并行处理(MPP, (MPP, Massive Parallel Processing ).Massive Parallel Processing ).它大受青睐的它大受青睐的原因是其经济性和公开性原因是其经济性和公开性, ,与与MPPMPP不同之处是不同之处是,

10、 ,它一它一般采用廉价的普通服务器为运算节点般采用廉价的普通服务器为运算节点, ,小规模的系小规模的系统一般用以太网内连统一般用以太网内连, ,外加免费公开的操作系统外加免费公开的操作系统LIUNXLIUNX和并行编程接口和并行编程接口MPI. MPI. 使超级计算机的造价使超级计算机的造价告别了天文数字告别了天文数字, ,应用足迹也能涉足千家万户应用足迹也能涉足千家万户. .w 但因机群系统大量使用但因机群系统大量使用IAIA服务器服务器, ,随着节点数随着节点数的增加的增加, ,其耗能和散热问题严重其耗能和散热问题严重, ,可管性和可用性可管性和可用性和可持续运算能力大大降低和可持续运算能

11、力大大降低. .按目前技术水平按目前技术水平, ,很很难做到一万个节点以上难做到一万个节点以上. .联想联想“深腾深腾6800”超级计算机超级计算机联想联想“深腾深腾6800”超级计算机超级计算机w是国家是国家“863”高科技计划设立的高科技计划设立的“高性能计算机高性能计算机及核心软件及核心软件”重大专项中重大专项中“面向网格的高性能计面向网格的高性能计算机算机”课题项目课题项目,于于2003年年11月研制成功月研制成功,名列第名列第22届届TOP排列榜的第排列榜的第14名名.它包括它包括256个四路结点个四路结点机机, 1060个主频为个主频为1.3G的安腾的安腾2处理器芯片处理器芯片,内

12、存内存总容量总容量2.6TB,磁盘容量磁盘容量80TB.其高速网络是其高速网络是Quadrics公司的产品公司的产品QsNet,点对点通信带宽点对点通信带宽300MB,峰值浮运算速度峰值浮运算速度5.324万亿次万亿次.w联想联想“深腾深腾68006800”超级计算机已成功用于天气预超级计算机已成功用于天气预报报, ,石油地震资料处理石油地震资料处理, ,核能开发应用核能开发应用, ,计算流体力计算流体力学学, ,基因与蛋白分析和材料科学等基因与蛋白分析和材料科学等2020多项应用多项应用. .全球超级计算机全球超级计算机500强前强前14名排名名排名w排名 安放地点 超级计算机 / 制造公司

13、w1 日本NEC公司 地球模拟器,65万亿次/秒w2 美Los Alamos国家实验室 ASCI Q-AlphaServer(惠普)w3 美维吉尼亚理工大学 X(维吉尼亚理工大学)w4 美国家超级计算机应用中心 Tungsten(戴尔)w5 美西北太平洋国家实验室 Mpp2(惠普)w6 美Los Alamos国家实验室 Lightning(Linux NetworX)w7 美劳伦斯利弗莫尔国家实验室 MCR LinuxCluster Xeon 2.4GHzw8 美劳伦斯利弗莫尔国家实验室 ASCI White(IBM)w9 美能源部超级计算中心 Seaborg(IBM)w10 美劳伦斯利弗莫尔

14、国家实验室 XseriesClusterXeon 2.4GHZ(IBM)w11 日本宇宙航空研究实验室 PRIMEPOWER(富士通)w12 美匹兹堡超级运算中心 AlphaServer SC46 (惠普)w13 美国国家大气研究中心 Pseries 690 Turbo 1.3GHz(IBM)w14 中国科学院 深腾6800(联想),4万亿次/秒(2003.11)详见详见TOP100和和TOP500w从从19921992年开始年开始, ,美国在杰克美国在杰克. .唐加拉唐加拉(Jack (Jack DongarraDongarra) )教授等人的发起下教授等人的发起下, ,开始用开始用Link

15、packLinkpack线线性代数方程包性代数方程包对各种超级计算机的性能进行测试对各种超级计算机的性能进行测试, ,并将测试结果按速率大小排名并将测试结果按速率大小排名, ,这就形成了全球这就形成了全球TOP500TOP500超级计算机的排名超级计算机的排名, ,每半年排一次每半年排一次, ,分别于分别于当年当年6 6月的德国和月的德国和1111月在美国举行的全球超级计算月在美国举行的全球超级计算大会上发布大会上发布. .w我国从我国从20022002年起年起, ,在孙家昶教授带领下在孙家昶教授带领下, ,也开始了也开始了每年一度对中国的每年一度对中国的TOP50,TOP100TOP50,T

16、OP100高性能计算机系高性能计算机系统进行排名统进行排名, ,也用也用LinkpackLinkpack实测值为依据进行排名实测值为依据进行排名. .用用注注: :LinkpackLinkpack是广泛使用的测试超级计算机综合是广泛使用的测试超级计算机综合性能的基准程序性能的基准程序, ,主要是解一个主要是解一个N N元元N N次的线性代数次的线性代数方程组方程组, ,它的计算主要集中在它的计算主要集中在CPUCPU的处理上的处理上. .排名世界第十的曙光排名世界第十的曙光4000Aw20042004年年1111月月, ,世界排名第十的曙光世界排名第十的曙光4000A4000A在上海启在上海启

17、用用, ,运算速度高达运算速度高达1010万亿次万亿次/ /秒秒. .该机属集群式超级该机属集群式超级计算机计算机, ,是由是由AMDAMD公司与曙光信息产业有限公司联公司与曙光信息产业有限公司联合开发合开发, ,它采用超过它采用超过20002000颗颗6464位的位的AMD AMD OpteronOpteron 800800系列处理器系列处理器, ,运算速度高达运算速度高达1010万亿次万亿次/ /秒秒, ,内存内存容量超过容量超过2TB,2TB,内部网络速度将超过内部网络速度将超过2Gb/s,2Gb/s,机器的机器的规模面积达四分之一足球场大小规模面积达四分之一足球场大小. .曙光曙光40

18、00Aw曙光是中国超级计算机的鼻祖曙光是中国超级计算机的鼻祖. .是中科院计算所国是中科院计算所国家智能计算机研究开发中心与曙光公司联合开发家智能计算机研究开发中心与曙光公司联合开发的的. .面向网格的超级计算机项目面向网格的超级计算机项目. .首先面世的首先面世的4000L4000L由由4040个机柜组成个机柜组成,644,644个个CPU,CPU,峰值浮运算速度峰值浮运算速度3万亿万亿次次/秒秒,644GB内存内存,100TB磁盘磁盘.w去年去年6 6月月, ,世界排名第十的曙光世界排名第十的曙光4000A4000A在上海启用在上海启用, ,运算速度高达运算速度高达1010万亿次万亿次/

19、/秒秒. .目前已成功运行证券目前已成功运行证券指数计算指数计算, ,电力安全评估电力安全评估, ,建筑工程抗震性评估和建筑工程抗震性评估和汽车碰撞等领域的汽车碰撞等领域的2020多项应用多项应用. .应用领域应用领域台数台数份额份额RMAX(GF/S)RPEAK(GF/S)处理器数处理器数科学计算2929%10240.1815020.764912金融保险2121%2383.983671.31168电信16162097.893671.31012能源772250.545810.481232工业77759.521139.4400生物信息331112.31724.88356中国中国TOP100应用领

20、域分布应用领域分布(信息来源信息来源:中国软件行业协会数学软件分会中国软件行业协会数学软件分会)气象22155.5265.650三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w目前对于超级计算机需求飞速增长的行业主要是在生物信目前对于超级计算机需求飞速增长的行业主要是在生物信息学方面息学方面.传统行业传统行业,如能源如能源(石油石油,核技术核技术) 、空气动力学空气动力学、战略武器的研发方面仍有较强的需求战略武器的研发方面仍有较强的需求.w1.超级计算机在航天飞行器设计中的应用超级计算机在航天飞行器设计中的应用 (1)科学计算科学计算:要完成目前风洞试验无法进行的课题要完成目前风洞试验无法进行的课题.

21、如风洞如风洞试验的马赫数比实际飞行的低试验的马赫数比实际飞行的低,就要靠数值方法来补推就要靠数值方法来补推,还还有上百成千个弹道计算也要全靠计算机完成有上百成千个弹道计算也要全靠计算机完成. (2)数据库建设数据库建设:用于改进设计的定量分析和新飞行器的定用于改进设计的定量分析和新飞行器的定量分析量分析,大大缩短飞行器的设计周期大大缩短飞行器的设计周期,减少风洞试验次数减少风洞试验次数. (3)计算机辅助设计计算机辅助设计:如波音如波音757飞机飞机,几乎所有的空气动力几乎所有的空气动力方面的设计都用计算机方面的设计都用计算机. (4)计算机仿真计算机仿真:用计算机模拟实际飞行和对抗用计算机模

22、拟实际飞行和对抗.据权威人士据权威人士介绍介绍,要用计算机代替风洞进行数值模拟要用计算机代替风洞进行数值模拟,需要具有需要具有1000MB的内存容量的内存容量,10101011次次/秒的计算机秒的计算机. 三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w2.在地震勘探中的应用在地震勘探中的应用w(1)地震勘探地震勘探:地球物理勘探是对地下作间接的测地球物理勘探是对地下作间接的测量量,弄清地质构造弄清地质构造,寻找碳氢化合物寻找碳氢化合物.在地震勘探中在地震勘探中,用可控方法产生弹性波场用可控方法产生弹性波场(可近似看作为声波可近似看作为声波),传传入地下入地下,因地下介质的非均匀性因地下介质的非均匀性

23、,被散射到地面检被散射到地面检波器阵列波器阵列,记录在磁带上记录在磁带上.地面检波器阵列一般有地面检波器阵列一般有481024个检波器个检波器,每个检波器每每个检波器每12毫秒记录一个毫秒记录一个采样点采样点,每个样点每个样点16位位,记录时间长度为记录时间长度为315秒秒,因因此此,每个记录长度达每个记录长度达24万万7200万字节万字节.w(2)地震数据处理地震数据处理:是一个十分复杂的数据转换过是一个十分复杂的数据转换过程程,一般地震数据处理系统均包含一般地震数据处理系统均包含200300个应用个应用程序程序,每个应用程序包含几千行至几万行每个应用程序包含几千行至几万行FORTRAN源语

24、句源语句,计算量很大计算量很大.三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w(3)向量处理向量处理:地球物理中地球物理中,许多算法可向量化许多算法可向量化.w(4)并行处理并行处理:w(5)输入输入/出出:用于地震数据的汇集用于地震数据的汇集,处理和存储处理和存储.w下面几个领域下面几个领域,只有超级计算机才能胜任只有超级计算机才能胜任:w交互地震处理交互地震处理w三维地震处理三维地震处理w迭前三维偏移迭前三维偏移w弹性波模型弹性波模型三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w3.3.在油藏数值模拟中的应用在油藏数值模拟中的应用w油藏数值模拟是根据达西定律和物质守恒定律原油藏数值模拟是根据达西定律和

25、物质守恒定律原理把复杂的物理现象抽象成数学问题理把复杂的物理现象抽象成数学问题, ,然后求该数然后求该数学问题的解学问题的解, ,以便定量地研究不同岩石和不同油以便定量地研究不同岩石和不同油、气流，在不同开采方式下，油气流，在不同开采方式下，油、气气、水的运动规律。水的运动规律。w油藏数值模拟的数学问题是一个偏微分方程组油藏数值模拟的数学问题是一个偏微分方程组, ,解解偏微分方程组大多用有限差分法进行离散化偏微分方程组大多用有限差分法进行离散化, ,然后然后解非线性的代数方程组解非线性的代数方程组, ,这需内存容量大这需内存容量大, ,运算速运算速度快的计算机度快的计算机. .在油藏数值模拟软

26、件中大量使用线在油藏数值模拟软件中大量使用线性和非线性的插值技术性和非线性的插值技术, ,当这段程序向量化后当这段程序向量化后, ,处处理效率可大大提高理效率可大大提高. .三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w在油藏数值模拟软件中在油藏数值模拟软件中, ,另一个问题是解大型稀疏另一个问题是解大型稀疏线性方程组线性方程组, ,约占整个运算时间的约占整个运算时间的6080%,6080%,这部分这部分程序经向量化后程序经向量化后, ,也大大提高了软件的处理效率也大大提高了软件的处理效率. .三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w4.4.在石油勘探中的应用在石油勘探中的应用w中国大庆油田有限责任

27、公司每年能开采大约中国大庆油田有限责任公司每年能开采大约50005000万吨原油万吨原油, ,是全球领先的石油和天然气生产商之一是全球领先的石油和天然气生产商之一.2002.2002年大庆在石油和天然气探测方面投入年大庆在石油和天然气探测方面投入1.81.8亿亿美元美元. .公司采用了公司采用了129129台基于英特尔至强台基于英特尔至强(XEON)(XEON)处处理器的双路联想系统理器的双路联想系统.,.,配置了配置了paradigparadig公司的先进公司的先进软件软件. .大庆预计与专有超级计算机解决方案相比可大庆预计与专有超级计算机解决方案相比可节省节省70%70%的成本的成本.20

28、02.2002年年, ,在中国黑龙江省发现了拥在中国黑龙江省发现了拥有有300300亿立方米的天然气储量亿立方米的天然气储量. .三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w5.5.在天气预报中的应用在天气预报中的应用w当代衡量一个国家气象业务发展水平当代衡量一个国家气象业务发展水平, ,从设备上主从设备上主要看两项要看两项: :巨型计算机和气象卫星巨型计算机和气象卫星. .w现代天气预报是在第二次世界大战中发展起来的现代天气预报是在第二次世界大战中发展起来的, ,最初是天气图的主观预报最初是天气图的主观预报, ,从上世纪从上世纪5050年代开始年代开始, ,出现了用计算机制作出现了用计算机制作数

29、值天气预报数值天气预报. .现被公认为最现被公认为最好的天气预报方法好的天气预报方法. .早期计算机只能做短期早期计算机只能做短期(3(3天天) )预报预报, ,目前用超级计算机可做中期目前用超级计算机可做中期(3(3天天22周周) )的天的天气预报气预报. .w(1)(1)中期天气预报的数学模型中期天气预报的数学模型: :w根据初始时刻的大气状态根据初始时刻的大气状态, ,即三维的运动速度即三维的运动速度u,v,wu,v,w和大气温度和大气温度T T、水汽水汽q q及大气密度及大气密度,求解下列求解下列微分方程组微分方程组: :wu u u u wt x y p xwu u u u wt x

30、 y p ywu u u wx y p pw dT ART dpw dt p dtw dqw dt+u+v+wfv=+Fxuv+w+fu=+Fy+=0= Cp=Q=S三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w由于该微分方程组无解析解由于该微分方程组无解析解,只能用差分方程求数只能用差分方程求数值解值解.显然显然,差分采用的分辨率决定了求解方程的差分采用的分辨率决定了求解方程的精度精度.差分的分辨率提高一倍差分的分辨率提高一倍,计算工作量增加到计算工作量增加到16倍倍.预报模式水平分辨率垂直分辨率时间步长积分范围预报天数求解差分方程组次数(万次)倍数 T43L9300km110毫巴30分半球588

31、51 T63L16200km62毫巴18分全球102359326T106L19120km53毫巴12分半球10116736132三三.超级计算机的应用超级计算机的应用w(2)天气预报的时间限制天气预报的时间限制w以我国中期天气预报为例以我国中期天气预报为例,它每天运行一次它每天运行一次,利用利用格林威治时间格林威治时间12时时,即北京时间即北京时间20时的观测值作时的观测值作为测试场为测试场,用用6小时接收来自世界各地的小时接收来自世界各地的17000多多份天气报告中的份天气报告中的98%,因而只有因而只有3个小时可让计算个小时可让计算机来制作数值天气预报机来制作数值天气预报,这样才能赶得上每天早这样才能赶得上每天早晨发布天气预报的需要晨发布天气预报的需要.w巨大的计算工作量和用于计算时间的严格限制巨大的计算工作量和用于计算时间的严格限制,决定了必须采用超级计算机才能实现中期数值预决定了必须采用超级计算机才能实现中期数值预报业务报业务.四四.下一代的超级计算机下一代的超级计算机w下一代的超级计算机应在下一代的超级计算机应在:扩展性扩展性、性能密度性能密度、性能性能能耗比能耗比、经济有效性经济有效性、整体均衡整体均衡、持续运算能力等持续运算能力等方面产生质的飞跃。方面产生质的飞跃。w性能密度性能密度是指单位空间体积能达到的运算速是指单位空间体积能达到的运算速度。度。