| 词条 | 超级计算机 |
| 释义 | § 简介 超级计算机 超级计算机是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。[1]超级计算机是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。[2] 超级计算机是一个相对的概念，一个时期内的巨型机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的超级机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的超级计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。 [3] § 技术发展 一般认为，自1946年第一台电子计算机ENIAC问世至今，超级计算机的发展已先后经历了5个阶段或5代，即早期的单处理器巨型机、向量处理系统、大规模并行处理系统、共享内存处理系统和机群系统。 [4]涡轮式刀片计算机 1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台超级计算机，其运算速度为1Mflops.70年代初研制成功STAR-100向量机，这是世界上最早的向量机。随后于1974年，诞生了世界上最早的SIMD阵列计算机--ILLIAC-IV并行机。 1976年，CRAY公司推出CRAY-1向量机，开始了向量机的蓬勃发展，其峰值速度为0.1Gflops. 向量机处理对提高计算机运算速度十分有利，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于时钟周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太可能。 就在传统向量机逐渐萎缩的同时，应来了大规模并行处理MPP机蓬勃发展的时代。各种新技术层出不穷，大公司也纷纷介入。其中，1996年12月宣布的ASCI RED,运算速度超过了万亿次/秒。[5] 目前(2011年)新建的超级计算机大都使用机群式结构，只不过在具体采用的节点机型、拓扑结构及互连技术会有所不同。机群式超级计算机系统具有结构灵活、通用性强、安全性高、易于扩展、高可用性和高性价比等诸多优点。 按照有关专家和研究人员的构想，与现有第5代的机群系统相比，未来的HPC-G6将具备更高的可扩展性、可用性、可持续性、计算密度、可管理性、运行效率和性能功耗比等特征。更高的可扩展性意味着未来的HPC-G6可以更大规模地扩展节点数量及其互连带宽，实现数千甚至上万个节点的高速互连。更高的可用性和计算可持续性即系统具有高可靠的持续运算能力，更高的计算密度指单个机架空间中将能容纳更多的处理单元、具有更高的计算能力，更高的可管理性即能够采用简便的操作控制方式实现对整个系统的有效管理。HPC-G6将具有更高的运行效率，并且单位功耗所换取的计算能力，也就是性能功耗比将进一步提升。虽然，HPG-G6目前还只是作为一种概念和构想被提出，但它标志着人们已经开始准备向着实现更高性能计算的征程出发。[4] 2011年6月21日国际TOP500组织宣布，日本超级计算机“京”（K computer）以每秒8162万亿次运算速度成为全球最快的超级计算机。 由日本政府出资、富士通制造的巨型计算机“K Computer”目前落户于日本理化研究所，并成功从中国手中夺回运算速度排行榜第一的宝座。以每秒8162万亿次运算速度成为全球最快的超级计算机。 “K Computer”当前运算速度为每秒8千万亿次，而到2012年完全建成时，其运算速度将达到每秒一万万亿次。“K Computer”比现居第二的中国超级计算机速度快出约3倍，甚至比排名第2至第6的计算机运算速度总和还要快。 § 各国发展 美国 美国爱达荷国家实验室中的“裂变”超级计算机 对中国“天河一号”占据世界第一的说法，美国着名计算机设计师沃利奇表称，世界不会停止脚步，中国的赶超只是暂时情况。美国在失去“世界最快计算机拥有者”称号之后，会加大超级计算机方面的研究。有媒体称，有五个计划或正构建的超级计算机系统，其运算能力将会超越中国的“天河一号”，这些正建造的超级计算机大多数都集中在美国。美国正在开发的一套名为“蓝水”的计算机系统，使用的是IBM公司的Power 7多核处理器，每秒持续运算速度能达1000兆次，最高可达10000兆次。此外，美国橡树岭国家实验室正在研制内置加速器的超级计算机，研制成功后计算能力有望达20千万亿次，预计在2012年研制完成，其速度将近中国的“天河一号”10倍。 日本 在研发超级计算机方面，日本属于起步较早的国家之一。自上个世纪90年代起，日本意识到超级计算机研发是提高其国际竞争力的重要一环，不断推出和更新超级计算机的研发计划。1999年，日本投入400亿日元（约人民币25亿元），开始名为“地球模拟器”的超级计算机研发，旨在通过在计算机内置“虚拟地球”预测及解析整个地球大气、地壳、地震等活动为目的。2002年，“地球模拟器”成功推出，将一直独占鳌头的美国挤下了“头把交椅”。之后，由于预算资金削减原因，日本超级计算机的研发目的发生了转向，原由政府主导型的超级计算机研发政策，开始向产学一体化、为民生提供更多贡献的方向发展。目前，日本为外界所知的核心项目是10千万亿次级的超级计算机系统，预计2012年问世。 欧洲 美益智节目中超级计算机与人对垒 欧洲采取了“化零为整”的联合手法，共同打造“超超级”计算机。今年6月，投资数亿欧元、有20个国家参与的连接多台超级计算机、每秒速度达百万兆次的超级计算机合作平台计划，在西班牙巴塞罗那启动。此计划旨在通过建立一个连接欧洲各种计算资源的基础设施，增强欧洲的超级计算能力。2010年10月25日，法国原子能委员会举行了大型计算中心揭幕仪式。大型计算中心坐落在法国北部的埃松省，总面积6500平方米，主要用途就是安放由欧洲多国共同研制的“居里超级计算”，它可进行每秒超过1000万亿次的运算，相当于15万台笔记本电脑工作量的总和，将于2011年底正式投入运行。 印度 印度也是世界上为数不多几个自主拥有超级计算机的国家，它以低廉的成本，研制出了高品质和具备高速运算能力的超级计算机。2007年，全球“超级计算机500强”排行榜中公布，印度首次有超级计算机打入世界第4位。尽管500强中印度只占有少数几席，但印度的IT产业为世界所称道，它依然有强大的潜在实力再造佳绩。[3]、 § 衡量指标 这里介绍的是当前（2011年）主流的超级计算机系统的衡量指标“神威蓝光”的超级计算机 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”(Float ingpoint Operations Per Second，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。 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×CPU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)。 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。 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，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] § 应用领域 日本的地球模拟器有“现代水晶球”之称 超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。超级计算机常用于需要大量运算的工作，譬如天气预测、气候研究、运算化学、分子模型、物理模拟、密码分析等等。 天气预报 中短期天气预报主要是根据气象卫星等观测的大气实况资料，通过求解描述天气演变过程的动力学方程组实现的，这种大规模的数值计算必须由超级计算机完成。例如，在2008年北京奥运会举办时，北京市气象局所购置的IBM Systemp575超级计算机的计算能力是原有系统的10倍，基于IBM Systemp575更高的计算性能，新的天气预报系统可覆盖4.4万平方公里的区域，且能为每平方公里按小时提供天气和空气质量预报等。[6] 地球模拟器 日本海洋研究开发机构的“地球模拟器”是一套用于地球大气循环监测和分析、温室效应预测、地壳及地震监测和预报等大规模计算的向量处理超级计算机系统。[7] 药品研制 日本的“地球模拟器”超级计算机 开发一种新的药品，通常需要从研制和试验的很多步骤，一般需要大约15年的时间，而利用超级计算机则可以对药物研制、治疗效果和不良反应等进行模拟试验，从而将新药的研发周期缩短3～5年且可显著降低研发成本。例如，美国基因工程技术公司的研究团队曾将超级计算机应用于一种致活酶类药物的研发，在14个月之内从50多万个化学分子中筛选出两个候选药物进行最终合成和临床试验，整个过程中真正在实验室里合成的分子只有2000个，其余均用超级计算机模拟完成，仅此就节省了上百倍的时间和成本。 [4] 石油勘探 石油勘探大多采用地震勘测的办法，即在地面进行爆破后，用探测仪器检测和采集震动反射波的大量数据，利用对这些数据计算、处理和分析结果确定地下储油位置。石油勘探中大量数值的快速计算、处理和分析，必需由高性能的超级计算机完成。例如，2007年曙光4000L超级计算机就曾在发现储量高达10亿吨的渤海湾冀东南堡油田的过程中发挥了关键作用，而其后的曙光5000A超级计算机的应用，则进一步达到了地下数千米的勘探深度。 核爆炸模拟 《全面禁止核试验条约》的签订之后，相关的一些国家开始转向利用大规模数值计算的方法进行核武器的模拟试验，以评测核武器的各项性能，这种应用对计算性能有着很高的要求。例如，美国劳伦斯利夫摩尔国家实验室就曾使用计算速度为360 Tflops的IBM“蓝色基因”(BlueGene/L)超级计算机进行过极为逼真的核弹爆炸三维模拟。此外，法国原子能委员会最近也订购了一台由布尔公司生产的、计算速度为1000Tflops的Tera-100超级计算机，将接替目前的Tera-10超级计算机用于模拟核武器爆炸过程。 [3] § 中国制造 “天河一号”超级计算机 上世纪90年代初，中国的超级计算机几乎全是进口产品，科研机构要在外国人的现场监控下使用进口计算机。经过多年的发展，中国逐步探索出了一条适合国情的发展超级计算机的新路子，“中国制造”不断缩小与发达国家的差距，在一些技术领域甚至处于世界领先地位。入围世界前500名排名中，中国以41台机器的占有数量，超过日本、法国、德国和英国，成为超级计算机的第二大使用国。《纽约时报》称，中国正在由一个超级计算机领域的“后起者”向“超级大国”转变。[3] 大事记 1983年，中国第一台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机在国防科技大学诞生。它的研制成功向全世界宣布：中国成了继美、日等国之后，能够独立设计和制造巨型机的国家。 1992年，国防科技大学研制出银河－II通用并行巨型机，峰值速度达每秒10亿次，主要用于中期天气预报。 1993年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准UNIX操作系统设计开发的并行计算机。 1995年，曙光公司又推出了曙光1000，峰值速度每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光1000与美国Intel公司1990年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近，与国外的差距缩小到5年左右。 1997年，国防科技大学研制成功银河－III百亿次并行超级计算机系统，峰值性能为每秒130亿次浮点运算。 1997至1999年，曙光公司先后在市场上推出曙光1000A，曙光2000－I，曙光2000－II超级服务器，峰值计算速度突破每秒1000亿次浮点运算。 1999年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威I计算机，峰值运算速度达每秒3840亿次，在国家气象中心投入使用。 2004年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光4000A实现了每秒10万亿次运算速度。 2008年，“深腾7000”是国内第一个实际性能突破每秒百万亿次的异构机群系统，Linpack性能突破每秒106．5万亿次。 2008年，曙光5000A实现峰值速度230万亿次、Linpack值180万亿次。作为面向国民经济建设和社会发展的重大需求的网格超级服务器，曙光5000A可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。 2009年10月29日，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生。这台计算机每秒1206万亿次的峰值速度和每秒563．1万亿次的Linpack实测性能，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的国家。 [8] 2011年11月，中国第一台实测性能超千万亿次的超级计算机曙光“星云”在国家深圳超算中心全面开通运行。“星云”系统峰值为每秒3000万亿次，实测Linpack性能达到每秒1271万亿次，是中国第一台、世界第三台实测双精度浮点计算超过千万亿次的超级计算机。 [9] |
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