高性能计算
高性能計(jì)算
什么是高性能計(jì)算[1]
???? 高性能計(jì)算（High-performance computing）簡(jiǎn)稱HPC,指通常使用很多處理器（作為單個(gè)機(jī)器的一部分）或者某一集群中組織的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)（作為單個(gè)計(jì)算資源操作）的計(jì)算系統(tǒng)和環(huán)境。有許多類型的HPC 系統(tǒng)，其范圍從標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的大型集群，到高度專用的硬件。大多數(shù)基于集群的HPC系統(tǒng)使用高性能網(wǎng)絡(luò)互連，比如那些來(lái)自 InfiniBand 或 Myrinet 的網(wǎng)絡(luò)互連。基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M織可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的總線拓?fù)?#xff0c;在性能很高的環(huán)境中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在主機(jī)之間提供較短的潛伏期，所以可改善總體網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸速率。
高性能計(jì)算研究的目的和意義[1]、[2]
???? 高性能計(jì)算技術(shù)在國(guó)內(nèi)外受到高度的重視。它在科學(xué)研究、工程技術(shù)以及軍事技術(shù)方面的應(yīng)用已取得了巨大的成就。國(guó)際上科學(xué)家廣泛認(rèn)為：21世紀(jì)人類所面臨的重要科技問(wèn)題, 如人類基因、全球氣候準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、海洋環(huán)流循環(huán)等等，沒(méi)有萬(wàn)億次以上的高性能計(jì)算機(jī)是無(wú)法解決的。軍事上的核爆炸模擬，也必須使用萬(wàn)億次以上的高性能計(jì)算機(jī)。美國(guó)90年代的有關(guān)高性能計(jì)算技術(shù)的研究規(guī)劃，如HPCC和ASCI，都是在總統(tǒng)直接參與下制定的。在我國(guó)，高性能計(jì)算技術(shù)也受到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門的十分的關(guān)注和重視。
???? 從更廣泛的意義上來(lái)看，計(jì)算、和理論與實(shí)驗(yàn)并列被普遍認(rèn)為是人類認(rèn)識(shí)自然世界的三大支柱。這種計(jì)算，主要是指應(yīng)用于科學(xué)與工程的、以高性能計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的大規(guī)模并行計(jì)算。它已成為一項(xiàng)學(xué)科，大規(guī)模科學(xué)與工程計(jì)算。而大規(guī)模并行計(jì)算也已成為研究科學(xué)與工程技術(shù)的一種嶄新的手段和方式；采用這種手段和方式的科學(xué)研究與工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)，則稱為"計(jì)算方式的科學(xué)與工程（暫譯名）"(Computational Science and Engineering)。例如著名的波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)，基本上是依靠高性能計(jì)算機(jī)的"無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)"它可以大量節(jié)省傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中的昂貴的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)間也大大縮短。高性能計(jì)算為平臺(tái)的大規(guī)模并行計(jì)算，在我國(guó)也取得很大成果，并且有力地推動(dòng)交叉學(xué)科的發(fā)展。
???? 當(dāng)前我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的研制已進(jìn)入發(fā)展的十字路口。一方面，尖端的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制已開(kāi)始了新一輪探索，正處于各種新思想與新方法產(chǎn)生的活躍期，未來(lái)的發(fā)展還充滿了不確定性；另一方面，廉價(jià)的機(jī)群系統(tǒng)帶來(lái)的高性能計(jì)算機(jī)普及和"平民化"在促進(jìn)其更廣泛應(yīng)用的同時(shí)，反過(guò)來(lái)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求，即如何從提高生產(chǎn)率，更有效地解決具體問(wèn)題角度重新思考高性能計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。包括具有低功耗、高密度、可共享、可重構(gòu)、可定制等特點(diǎn)的系統(tǒng)的研究方興未艾。目前，中國(guó)和世界其他國(guó)家處在同一個(gè)十字路口，沒(méi)有現(xiàn)成的系統(tǒng)可供我們參考、跟蹤和趕超，相反我們?cè)诩夹g(shù)選擇及產(chǎn)業(yè)化方面的努力有可能對(duì)國(guó)際高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)走向產(chǎn)生較大的影響。
???? 我國(guó)已經(jīng)具備了自行研制國(guó)際先進(jìn)水平超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力，并形成了神威、銀河和曙光等幾個(gè)自己的產(chǎn)品系列和研究隊(duì)伍，有進(jìn)行重大技術(shù)創(chuàng)新的條件。但是，目前研制的系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化程序并不高，處理器、高速網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵部件還主要依賴進(jìn)口。隨著集成電路生產(chǎn)基地逐漸向中國(guó)轉(zhuǎn)移和國(guó)產(chǎn)通用CPU 技術(shù)的突破，我國(guó)實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)始具備了自主生產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)全套部件的潛力。下決心集中力量研制包括國(guó)產(chǎn)CPU、外圍芯片在內(nèi)的全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有可能徹底擺脫我國(guó)在高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)上受制于人的局面，同時(shí)擴(kuò)大我國(guó)科研人員研究與創(chuàng)新的領(lǐng)域和范圍，改變我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)研究與生產(chǎn)環(huán)境，確立中國(guó)在國(guó)際高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中新的地位。
???? 我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)市場(chǎng)已開(kāi)始進(jìn)入普及和高速發(fā)展期，需求牽引將逐漸表現(xiàn)出對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的拉動(dòng)作用。但是，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。大力推廣高性能計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，其意義絕不僅僅在于高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)自身的發(fā)展。廣泛采用高性能計(jì)算機(jī)和計(jì)算分析方法是一種方法和工具上的飛躍，將可能大大促進(jìn)其他領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展，有助于提升我國(guó)的綜合科研實(shí)力。
高性能計(jì)算方面的進(jìn)展、趨勢(shì)與前景
1、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展與摩爾定律[3]、[4]
???? 第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世已經(jīng)半個(gè)世紀(jì)了，在這期間計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代。更新?lián)Q代的標(biāo)志主要有兩個(gè)：一個(gè)是計(jì)算機(jī)的器件，另一個(gè)是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。從第一代到第五代計(jì)算機(jī)，器件發(fā)生了根本的變化：從電子管、晶體管發(fā)展到集成電路，而集成電路又經(jīng)小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、非常大規(guī)模等階段發(fā)展到超大規(guī)模階段。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，許多重要的概念的不斷提出并且得到實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)向更高的層次發(fā)展。從早期的變址寄存器、通用寄存器、程序中斷和I/O通道等概念，到虛擬存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器、微程序設(shè)計(jì)、系列機(jī)、基于總線的多 CPU系統(tǒng)、向量處理機(jī)等概念，發(fā)展到64位RISC處理器、基于MPP、NUMA、集群等體系結(jié)構(gòu)的可伸縮并行處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展 。
???? 這一發(fā)展速度一直以來(lái)是基本遵循摩爾定律的。計(jì)算機(jī)第一定律---摩爾定律：是指IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾(Intel)名譽(yù)董事長(zhǎng)戈登?摩爾（Gordon Moore）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)得之。摩爾定律所闡述的趨勢(shì)一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確。在接近50年的時(shí)間里，芯片上的晶體管數(shù)量從1971年推出的第一款4004的 2300晶體管個(gè)增加到奔騰II處理器的750萬(wàn)個(gè)晶體管到當(dāng)前最新的處理器超過(guò)10億個(gè)晶體管。CPU制作工藝, 從1965年推出的10微米(μm)處理器后，經(jīng)歷了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、 0.09微米、0.065微米，0.045微米，0.32微米。人們還發(fā)現(xiàn)這不光適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也精確地說(shuō)明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。
???? 與此同時(shí)，隨著制作工藝與技術(shù)的進(jìn)步，顯卡的性能也飛速發(fā)展，如今，GPU越來(lái)越強(qiáng)大，GPU為顯示圖像做了優(yōu)化，當(dāng)前，在G80、G92、G94、 GT200、GT400平臺(tái)（即Geforce 8~Gecorce GTX480）上， GPU計(jì)算性能已經(jīng)超越了通用的CPU。G80中擁有128個(gè)單獨(dú)的ALU，因此非常適合并行計(jì)算，而且數(shù)值計(jì)算的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CPU。如此強(qiáng)大的芯片如果只是作為顯卡就太浪費(fèi)了，因此NVidia推出了CUDA技術(shù)，CUDA是一種通用并行計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。 GPU+GPU高性能計(jì)算結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
2、高性能計(jì)算的歷史[5] 。
???? 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的向量計(jì)算機(jī)可看作是第一代HPC，通過(guò)在計(jì)算機(jī)中加入向量流水部件，大大提高了科學(xué)計(jì)算中向量運(yùn)算的速度。其中較著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列和中國(guó)的銀河一號(hào)及中科院計(jì)算所的757計(jì)算機(jī)。80年代初期，隨著VLSI技術(shù)和微處理 器技術(shù)的發(fā)展，向量機(jī)一統(tǒng)天下的格局逐漸被打破，"性/價(jià)比"而非單一性能成為衡量HPC系統(tǒng)的重要指標(biāo)。90年代初期，大規(guī)模并行處理(MPP)系統(tǒng)已開(kāi)始成為HPC發(fā)展的主流，MPP系統(tǒng)由多個(gè)微處理器通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每個(gè)處理器之間通過(guò)消息傳遞的方式進(jìn)行通訊和協(xié)調(diào)。代表性系統(tǒng)有TMC的 CM-5、Intel Paragon、中科院計(jì)算所的曙光1000等。較MPP早幾年問(wèn)世的對(duì)稱多處理(SMP)系統(tǒng)由數(shù)目相對(duì)較少的微處理器共享物理 內(nèi)存和I/O總線形成，早期的SMP和MPP相比擴(kuò)展能力有限，不具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，但單機(jī)系統(tǒng)兼容性好，所以90年代中后期的一種趨勢(shì)是將SMP的優(yōu) 點(diǎn)和MPP的擴(kuò)展能力結(jié)合，發(fā)展成后來(lái)的CC-NUMA結(jié)構(gòu)，即分布式共享內(nèi)存。其代表為Sequent NUMA-Q、SGI- Cray Origin、國(guó)內(nèi)的神威與銀河系列等。在發(fā)展CC-NUMA同時(shí)，機(jī)群系統(tǒng)(Cluster)也迅速發(fā)展起來(lái)。機(jī)群系統(tǒng)是由多個(gè)微處理器構(gòu)成 的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)互連而成，節(jié)點(diǎn)一般是可以單獨(dú)運(yùn)行的商品化計(jì)算機(jī)。機(jī)群系統(tǒng)比MPP具有更高的性價(jià)比，其代表是IBM SP2，國(guó)內(nèi)有曙光 3000、4000，5000, 聯(lián)想深騰1800、6800等。
3、高性能計(jì)算的現(xiàn)狀和趨勢(shì)[1]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]
???? 每年6月和11月發(fā)布的TOP500一直是全球HPC領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)[4]，排行榜的變化折射出全球HPC在技術(shù)和應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。TOP500已經(jīng)成為衡量當(dāng)今高性能計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展水平的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，人們從中不但可以了解高性能計(jì)算領(lǐng)域的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，更可以據(jù)此預(yù)測(cè)未來(lái)高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)的走向。
???? 第34屆TOP500榜單已經(jīng)在2009年11月17日在波特蘭召開(kāi)的SC09大會(huì)上揭曉。Cray XT5超級(jí)計(jì)算機(jī)Jaguar最終榮登第34期榜單第一。安裝在美國(guó)能源部的Oak Ridge Leadership Computing Facility的Jaguar 2009年年初進(jìn)行過(guò)一次升級(jí)，Linpack測(cè)試性能最高可達(dá)到1.75 petaflop/s。1 petaflop等于每秒鐘進(jìn)行1千萬(wàn)億次的數(shù)學(xué)運(yùn)算，Jaguar憑借著新的處理器沖到了榜首，其理論性能峰值可達(dá)到2.3 petaflop/s，采用了將近25萬(wàn)個(gè)內(nèi)核。這次安裝在我國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心的"天河一號(hào)"躋身第五位，這套系統(tǒng)被用來(lái)解決石油鉆探中的科研問(wèn)題以及大型航天器設(shè)計(jì)的模擬仿真，這也是我們?cè)赥OP500榜單排名最前的一套系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用了英特爾至強(qiáng)處理器和AMD GPU作為加速器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括兩個(gè)AMD GPU附加于兩個(gè)英特爾至強(qiáng)處理器。
???? 09年全國(guó)高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會(huì)在長(zhǎng)沙舉行，會(huì)上發(fā)布了2009年中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)性能TOP100排行榜。此次榜單排名第一名的國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算系統(tǒng)--國(guó)防科大設(shè)計(jì)的天河一號(hào)首次突破峰值1PFlops（千萬(wàn)億次）大關(guān)。
???? 中國(guó)HPC TOP100的第一名，世界TOP500的第五名，天河一號(hào)將成為濱海新區(qū)超算中心的中堅(jiān)力量，而這類的超算中心在中國(guó)正在迅速的增加，除了非常著名的上海超算外，還有成都超算中心，北京超算中心，華南超算中心，中科院超算中心，深圳超算中心，無(wú)錫超算中心，廣州超算中心，各地的超算中心風(fēng)起云涌，這類的超算中心的建立促進(jìn)了中國(guó)HPC應(yīng)用，將會(huì)給中國(guó)的HPC商用建立起一個(gè)較好的平臺(tái)，而且這些超算中心為了要把自己的計(jì)算能力充分利用，會(huì)更多的促進(jìn)企業(yè)去使用這種計(jì)算能力來(lái)幫助自身的發(fā)展。與此同時(shí)，各地高校也紛紛搭建起高性能計(jì)算平臺(tái)，南京大學(xué)，上海大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，四川大學(xué)，中國(guó)傳媒大學(xué)，云南大學(xué)，北京大學(xué)等都建立起了高性能計(jì)算平臺(tái)。
???? 從世界的TOP500乃至中國(guó)的TOP100來(lái)看HPC的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)HPC的發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問(wèn)題。
國(guó)際HPC格局基本穩(wěn)定，體系結(jié)構(gòu)主流化，標(biāo)準(zhǔn)化。
???? 在國(guó)際上，美國(guó)仍然是HPC的最大用戶，在HPC領(lǐng)域的綜合發(fā)展水平依然是全球第一，其全球霸主地位牢不可破。亞洲最大的用戶是日本，其次是中國(guó)。對(duì)于高性能計(jì)算采用的硬件，Inetl仍是最大贏家，而產(chǎn)商方面，IBM和HP是最大贏家。高性能計(jì)算體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中，集群結(jié)構(gòu)、千兆以太網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)和 InfiniBand技術(shù)占據(jù)主流地位。InfiniBand正呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。操作系統(tǒng)方面，Linux已逐漸代替Unix成為HPC的首選操作系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)化是高性能計(jì)算機(jī)最重要的趨勢(shì)
???? 網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)將是高性能計(jì)算機(jī)最重要的趨勢(shì)，高性能計(jì)算機(jī)的主要用途是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境中的主機(jī)。以后越來(lái)越多的應(yīng)用是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用，會(huì)出現(xiàn)數(shù)以十億計(jì)的客戶端設(shè)備，所有重要的數(shù)據(jù)及應(yīng)用都會(huì)放在高性能服務(wù)器上，Client/Server模式會(huì)進(jìn)入到第二代，即服務(wù)器聚集的模式。
網(wǎng)格成為高性能計(jì)算一個(gè)新的研究熱點(diǎn)
???? 網(wǎng)格(Gird)已成為高性能計(jì)算一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。網(wǎng)格將分布于全國(guó)的計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)設(shè)備、用戶、軟件等組織成一個(gè)邏輯整體，各行業(yè)可以在此基礎(chǔ)上運(yùn)行各自的應(yīng)用網(wǎng)格。網(wǎng)格最原始的設(shè)想是將分散在各地的高性能計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，形成強(qiáng)大的綜合計(jì)算能力。從這個(gè)角度看， 網(wǎng)格技術(shù)有可能成為實(shí)現(xiàn)Petaflops的另一條途徑，但是，用網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)Petaflops仍需要一些關(guān)鍵技術(shù)的突破。
高性能計(jì)算領(lǐng)域軟硬發(fā)展不平衡
??? 在國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的規(guī)模越做越大，但是我們卻找不到能夠讓超算中心運(yùn)作起來(lái)的實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)機(jī)器大應(yīng)用小、"軟""硬"發(fā)展格局失衡。這種失衡體現(xiàn)最為明顯的一個(gè)縮影是上海超級(jí)計(jì)算中心。該中心擁有計(jì)算峰值性能高達(dá)230萬(wàn)億次的"魔方"曙光5000A超級(jí)計(jì)算機(jī)，總共擁有的CPU內(nèi)核數(shù)達(dá)到3萬(wàn)個(gè)，而實(shí)際上，應(yīng)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有跟上，使用16核以下的作業(yè)占到了60%，17-160核的作業(yè)占39%，160核以上僅僅占到1%。而美國(guó)能源部下屬的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Jaguar TX5，該系統(tǒng)擁有15萬(wàn)顆CPU核，是一套千萬(wàn)億次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，但其科學(xué)計(jì)算作業(yè)卻安排得很飽滿，可利用3萬(wàn)以下 CPU核的作業(yè)占50%，3-4.5萬(wàn)核的作業(yè)占32%，4.5-9萬(wàn)核占18%。
???? 兩相比較，差距非常大，我國(guó)高性能計(jì)算領(lǐng)域軟硬發(fā)展嚴(yán)重不平衡。
4、高性能計(jì)算應(yīng)用需求與前景[2] 。
???? 探求復(fù)雜的物理世界與人類社會(huì)本身的應(yīng)用一直是驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力。近年來(lái)，科學(xué)研究方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)分析逐步向計(jì)算分析過(guò)渡。一些復(fù)雜問(wèn)題的研究已經(jīng)很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行，或者是因?yàn)橄到y(tǒng)本身過(guò)于龐大和復(fù)雜而根本無(wú)法實(shí)驗(yàn)，如全球氣候模型；或者是因?yàn)槌杀具^(guò)高，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn) 不現(xiàn)實(shí)，如燃燒過(guò)程；或者是實(shí)驗(yàn)活動(dòng)自身受到限制，如核物理模擬等。對(duì)這些問(wèn)題的研究構(gòu)成了對(duì)計(jì)算能力永無(wú)止境的追求。相比之下，摩爾定律的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用的需求。
高性能計(jì)算作為第三大科學(xué)方法和第一生產(chǎn)力的地位與作用被廣泛認(rèn)識(shí)，并開(kāi)始走出原來(lái)的科研計(jì)算向更為廣闊的商業(yè)計(jì)算和信息化服務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)展。更多的典型應(yīng)用在生物工程、電子政務(wù)、石油物探、分子材料研究、金融服務(wù)、教育信息化和企業(yè)信息化中得以展現(xiàn)。
???? 以生物計(jì)算為例，億萬(wàn)次計(jì)算機(jī)，大概可以模擬1萬(wàn)個(gè)原子規(guī)模的酶催化反應(yīng)；千萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)，可以模擬10萬(wàn)個(gè)原子規(guī)模的新陳代謝過(guò)程；即使計(jì)算能力再翻 1000倍，達(dá)到每秒一百億億次，也剛剛能模擬DNA蛋白質(zhì)折疊的初級(jí)階段，不到1個(gè)微秒的物理過(guò)程。因此，應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有高性能計(jì)算機(jī)的能力。
???? 另一方面，隨著高性能計(jì)算機(jī)性能的提高、價(jià)格的降低，高性能計(jì)算已經(jīng)從傳統(tǒng)的滿足科研和國(guó)家戰(zhàn)略需求走向更廣泛的行業(yè)應(yīng)用，成為其他領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵性支撐技術(shù)之一。已經(jīng)有越來(lái)越多的經(jīng)濟(jì)部門使用高性能計(jì)算機(jī)，如石油勘探、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣工程、 金融分析、生物制藥及材料分析等。近年來(lái)機(jī)群系統(tǒng)的普及進(jìn)一步加強(qiáng)了這一步伐。象PC機(jī)的普及帶動(dòng)了信息化一樣，高性能計(jì)算機(jī)的普及將有可能促進(jìn)科學(xué)和技 術(shù)研究方法上的進(jìn)步，高性能計(jì)算機(jī)將變成高科技發(fā)展不可或缺的工具。如果說(shuō)能否制造高性能計(jì)算機(jī)反映一個(gè)國(guó)家計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，那么能否用好高性能計(jì) 算機(jī)則反映一個(gè)國(guó)家的綜合科研實(shí)力。遺憾的是，除石油、氣象等少數(shù)領(lǐng)域外，中國(guó)產(chǎn)業(yè)界對(duì)高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國(guó)家。可以說(shuō)，中國(guó)高性能計(jì)算機(jī) 的應(yīng)用水平與西方的差距比起設(shè)計(jì)能力的差距要大得多。
???? 高性能計(jì)算機(jī)的普通反過(guò)來(lái)又對(duì)其自身發(fā)展提出了新的要求。在不強(qiáng)求高峰值和超大規(guī)模的前 提下，面對(duì)多層次多粒度的具體應(yīng)用需求，如何相應(yīng)提供最合適的性能/價(jià)格比，如何更有效地優(yōu)化應(yīng)用問(wèn)題從立項(xiàng)到完成的整個(gè)過(guò)程等都有待研究。
???? 總之，無(wú)論在深度和廣度上，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展都面臨著巨大的需求和挑戰(zhàn)。
高性能計(jì)算研究方向[11]
???? 科學(xué)數(shù)據(jù)呈數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)對(duì)計(jì)算技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)，迫切需要高性能計(jì)算機(jī)、海量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及高速網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的支持。針對(duì)高能物理等一大批實(shí)際應(yīng)用的需求，高能所計(jì)算中心一直開(kāi)展高性能計(jì)算方面的研究與應(yīng)用，主要的研究方向包括: 集群計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算，志愿計(jì)算，海量存儲(chǔ)。
1、集群計(jì)算
???? 集群計(jì)算具有性價(jià)比高、可擴(kuò)展性好、可繼承現(xiàn)有軟硬件資源和開(kāi)發(fā)周期短、可編程性好等特點(diǎn)，已成為高性能計(jì)算的主流，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟。但是，隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，集群計(jì)算將重新成為了研究熱點(diǎn)。一方面，集群系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在一個(gè)單一系統(tǒng)中如何有效管理和使用成千上萬(wàn)的 CPU成為一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)；另外一方面，單內(nèi)核處理器的發(fā)展已經(jīng)遇到瓶頸，多內(nèi)核架構(gòu)成為進(jìn)一步提高處理器性能的必然趨勢(shì)，如何有效地利用多內(nèi)核處理器系統(tǒng)對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。在集群計(jì)算方面，主要開(kāi)展大規(guī)模集群管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與I/O技術(shù)、進(jìn)程調(diào)度、負(fù)載共享與平衡技術(shù)、性能調(diào)試與優(yōu)化、多核編程開(kāi)發(fā)等。
2、網(wǎng)格計(jì)算
???? 網(wǎng)格計(jì)算是本世紀(jì)初信息領(lǐng)域中的一次重大科技進(jìn)步，用來(lái)整合和共享網(wǎng)絡(luò)上的分布的資源。過(guò)去幾年中，網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)在科研領(lǐng)域內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。高能所計(jì)算中心根據(jù)高能物理等學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用需求，采用成熟先進(jìn)的網(wǎng)格中間件，建立和整合多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)格資源，運(yùn)行和維護(hù)高性能的網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境，為大科學(xué)工程、國(guó)際合作等科學(xué)計(jì)算需求提供服務(wù)。目前已經(jīng)建立了與歐洲及北美之間的高速網(wǎng)絡(luò)，并加入了世界上最大的網(wǎng)格系統(tǒng)WLCG，是全球200多個(gè)網(wǎng)格站點(diǎn)中運(yùn)行水平最好的站點(diǎn)之一，得到國(guó)際同行的好評(píng)。當(dāng)前，高能所網(wǎng)格站點(diǎn)每天與國(guó)際站點(diǎn)交換TB量級(jí)數(shù)據(jù)、處理數(shù)千個(gè)計(jì)算作業(yè)。在網(wǎng)格平臺(tái)建設(shè)的同時(shí)，還積極進(jìn)行網(wǎng)格技術(shù)、數(shù)據(jù)密集型計(jì)算系統(tǒng)等方面的研究，形成一批實(shí)用性的技術(shù)成果，部分已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
3、志愿計(jì)算
???? 志愿計(jì)算是一項(xiàng)使全世界的普通民眾能夠?qū)A(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)的技術(shù)，它通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)利用空閑的個(gè)人電腦，使其擔(dān)任數(shù)據(jù)分析任務(wù)。對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，志愿計(jì)算代表著一項(xiàng)免費(fèi)和事實(shí)上無(wú)限的計(jì)算資源。現(xiàn)在，志愿計(jì)算已有50多個(gè)項(xiàng)目正在運(yùn)行中，跨越了多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，包括氣候變化，天體物理學(xué)，地震監(jiān)測(cè)和流行病學(xué)，這些項(xiàng)目得到幾百萬(wàn)志愿者的支持。但是，到目前為止大多數(shù)項(xiàng)目都是由北美和歐洲的科學(xué)家們發(fā)起的，中國(guó)志愿計(jì)算的發(fā)展水平還處于初級(jí)階段。高能所計(jì)算中心與美國(guó)、瑞士、法國(guó)等著名國(guó)際高校或研究機(jī)構(gòu)建立了緊密的合作關(guān)系，并在國(guó)內(nèi)舉辦志愿計(jì)算國(guó)際研討會(huì)，與相關(guān)科研單位開(kāi)展志愿計(jì)算應(yīng)用項(xiàng)目，積極推動(dòng)志愿計(jì)算在中國(guó)的發(fā)展。
4、海量存儲(chǔ)
???? 科學(xué)研究規(guī)模的不斷擴(kuò)大產(chǎn)生了前所未有的海量數(shù)據(jù)，TB(1TB=1024GB)，PB級(jí)（1PB=1024TB）甚至EB級(jí)（1EB=1024PB）的應(yīng)用逐漸增多，給存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。高能所計(jì)算中心以海量數(shù)據(jù)處理的需求為牽引，緊跟存儲(chǔ)技術(shù)的最新發(fā)展，自主集成和開(kāi)發(fā)了基于異構(gòu)介質(zhì)的分級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，將磁盤、磁帶等不同存儲(chǔ)介質(zhì)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)整合成一個(gè)透明的邏輯存儲(chǔ)池，能夠輕松滿足PB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與每秒數(shù)GB的訪問(wèn)速度需求。在海量存儲(chǔ)方面，主要開(kāi)展虛擬存儲(chǔ)、分級(jí)存儲(chǔ)、高性能I/O、網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)等技術(shù)研究。
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參考：
[1] http://202.207.213.2/physic/dzkjjqtwj01/jdwldzjan/jiqun.htm
[2] http://218.65.86.42/WzxxSz/HtmlFile%5C7%5C201003%5C20100325171439328_1729.htm
[3] http://baike.baidu.com/view/2120379.htm
[4] http://baike.baidu.com/view/1488597.htm
[5]樊建平，陳明宇.高性能計(jì)算機(jī)研究的現(xiàn)狀與展望.信息技術(shù)快報(bào)，2003，(5)
[6]TOP500 Supercomputing Sites.http://www.top500.org
[7] 從Top500看高性能計(jì)算的互連網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，張清波,周培峰,黃國(guó)華 江南計(jì)算技術(shù)研究所
[8] http://www.doserv.com/subject/hpc091103/
[9] http://server.zdnet.com.cn/server/2009/1105/1506772.shtml
[10] http://www.microvoip.com/Data/market/market01/200911/106778.html
[11] http://www.ihep.cas.cn/jgsz/kyxt/div7/keti/gaoxingneng/jianjie/
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總結(jié)
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