超级计算机的现状、应用及展望
发布时间：2015-07-09 11:05
摘 要 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。就世界和我国超级计算机的现状、用途分别进行了分析和阐述，并探讨超级计算机的发展方向。
关键词 超级计算机 MPP结构 NOW结构
中图分类号 TP338.4 文献标识码 A
1 超级计算机的现状
1．1 超级计算机的分类
超级计算机可分两类，采用专用处理器或者采用标准兼容处理器。前者可以高效地处理同一类型问题，而后者则可一机多用，使用范围比较灵活、广泛。专一用途计算机多见于天体物理学、密码破译等领域。国际“象棋高手”“深蓝”、日本的“地球模拟器”都属于这样的超级计算机。据统计，500强超级计算机有232个是非专用系统，服务于军事、医药、气象、金融、能源、环境和制造业等众多领域。
1．2 世界超级计算机的现状
目前，世界排名前10位的超级计算机中美国有7台，但首位却是日本“地球模拟器”。该模拟器是2002年由日本电气公司开发成功，每秒运速为35.86万亿次，曾长时间保持世界超级计算机运速的最快记录。这一排名极大地刺激了美国，为此美国能源部赶快和IBM等公司合作研制，并于2004年9月开发成功了“地球模拟器”。日本也穷追猛赶并于2004年10月20日由日本电气公司宣布，已开发成功世界运速最快的“SX-8”超级计算机，每秒运速为 58万亿次，由5/2台计算机连接在一起，中央处理器由日本电气公司提供。美国国防部立即启动一项计划：开发一台每秒1 000万亿次超级计算机。而雄心勃勃的日本电气公司、东芝公司和日立制作所三家合作，抛出了一个具体计划，即于2010年开发出每秒运速为1 000万亿次以上的超级计算机，并且由日本东京大学牵头联合研制世界上最高速超级计算机“GRAPE-DR”，每秒可运行2 000万亿次。
1．3 中国超级计算机的现状
从1978年，邓小平同志在第一次全国科技大会上说：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”此后，我国计算机专家奋起直追，经过几十年不懈努力，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”等高性能计算机的出现，使我国成为继美国、日本之后第三个具备自行开发高性能计算机的国家。
1983年，“银河I”在国防科技大学诞生；1992年，“银河II”10亿次巨型计算机在长沙通过鉴定；1997年，由国防科技大学计算机研究所研制的“银河III”并行举行计算机在北京通过国家鉴定。“银河III”并行巨型计算机袭用在用访存指令直接访问全局共享分布存储器，基于三维环网拓扑的宽带、低延迟通信、MPP资源管理与处理机调度、可移植PDI框架的并行I/O软件、面向多种语言、多目标机的具有统一中间代码结构的高性能优化编译，巨型计算机高性能网络软、硬件设计等技术方面属于领先水平，系统综合达到当前国际先进水平。
1993年，曙光1号由国家智能中心推出；1995年5月，曙光2号推出；此后陆续在1998年、1999年推出“曙光2000—I”、“曙光2000-II”超级服务器。
而1999年研制出的“神威”，其高性能主要表现在，它是一种可缩放大规模并行计算机系统，其峰值运算速度可高达每秒3 840亿浮点结果，位居当今全世界已投入商业运行的前500位高性能计算机的第48位。
2 超级计算机的用途推动其发展
超级计算机的应用十分广泛，其主要包括计算密集型(如大规模工程计算和数值模拟)、数据密集型(如数据仓库和数据采集)以及通信密集型(如协同工作和远程遥控)三个方面。超级计算机的进步极大地推动了这些应用的发展；反之，这些应用领域不断出现的新需求又直接地刺激了超级计算机的研究与开发。
美国能源部（DOE）的“加速战略计算创新”(AS-CI)计划是在全面禁止核试验的情况下，为了保持它的核威慑能力和核垄断地位而提出的一项创新计划。通过该计划，美国采用以计算为基础的方法代替以地下核试验为基础的方法，利用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。ASCI共投资10亿美元，主要参与者有SNL、LANL、LLNL三个国家实验室和Utah、Illinois、Stanford、Chicago、CalTech五所大学，在工业界选择了IBM、Intel和SGI/Cray三个合作伙伴。ASCI计划将为DOE提供5台1-100TFLOPS的超级计算机。第一台是Intel公司1996年宣布的1.8TFLOPS“ASCI红色”，现已在SNL安装使用；1998～1999年完成两台3万亿次量级的系统，即上面提到的“ASCI蓝色太平洋”和“ASCI蓝山”，它们将分别安装在LLNL和LANL；去年2月份IBM又与DOE签约，定于2000年完成由8 000个处理器构成的lOTFLOPS“白色选择”，届时该系统也将安装在LLNL。此外，DOE的规划还确定2001年将完成30TFLOPS，2004年实现100TFLOPS。为了解决10-100TFLOPS机器的关键技术，DOE在去年又推出了ASCI的一个补充计划——Pathforward计划，该计划拟解决4项关键技术:可扩展互连技术；分布式并行操作系统；并行程序调试和性能监测环境；大容量数据存储技术。
印度虽只是一个发展中国家，但它对超级计算机在核武器研制中的应用十分重视。印度政府认为，超级计算机为印度提供了在计算领域与发达国家进行平等竞争的机会。为了不受制于发达国家的禁运，印度政府制定了Param计划，具体由印度先进计算技术开发中心(C-DAC)负责执行。该计划至今已先后推出了Param 8000、 8600、9000和10000系统，尤其是1998年推出的Param 10000系统综合了NOW(工作站网络)、COW(工作站群)和MPP(大规模并行处理)结构的优点，具有良好的可伸缩性，可提供台式机至TFLOPS级的性能。Param 10000最高配置1000个节点，每个节点含4个300 MHz的U1traSPARC-II处理器。据分析，印度政府去年5月份之所以冒天下之大不题，连续5次进行核爆破，其重要目的之一就是要为它新研制的超级计算机提供各种实际核试验数据，为将来利用超级计算机进行实验室模拟打下坚实的基础。
技术侦察是世界各国都非常重视的军事领域，为了能及时有效地对侦察到的各种信号、密码进行处理和破译，技术侦察部门往往都配备了非常先进的超级计算机处理系统。例如，美国国家安全局配备的超级计算机以5240.02GFLOPS的总计算能力高居因特网不久前发布的世界计算能力最强站点排名表之首，尤其是它的T3EI200 LC1080和T3E900 LC1328分别达到了1263.6GFLOPS和1165.32GFLOPS的峰值性能。此外，为了以超级计算机为辅助手段提高武器性能、部队战斗力和防卫系统的水平，美国国防部(DOD)投资20亿美元，制定了为期8年的“高性能计算现代化计划”(HPCMP)。该计划分10个领域，包括计算流体动力学、计算化学和材料科学、大气、海洋建模和模拟等。HPCMP计划的策略是采购市场上最先进的软、硬件系统构成超级计算机。
美国政府曾在1994年专门成立了一个千万亿次机应用研究小组，研究结论是有12个领域的62种应用需要千万亿次级计算机，它们都是国民经济、国家安全和基础科学研究方面的重大问题，例如天文模拟、飞机大涡流模拟、能量研究等。为此，美国政府在1998年度的“计算、信息与通信”(CIC)计划蓝皮书中，已正式将千万亿次超级计算机的软、硬件研究列入计划。CIC计划是1997年由着名的“高性能计算与通信”(HPCC)计划扩展而成的一项战略性研究计划，具体由美国国家科学技术委员会负责管理实施，美国能源部、国防部、教育部、国家科学基金会、航空航天局、环境保护局等12家单位参与了该项计划。另外，日本东京大学也已计划在未来5年时间内研制出专门用于天体物理中多体问题计算的GRAPE-6专用超级计算机，若该计划能如期完成，它将是世界上第一台峰值性能达到千万亿次量级的超级计算机。
3 超级计算机的展望
3.1 MPP结构仍是主流体系结构
MPP系统由于突破了冯·诺伊曼机顺序执行的限制，系统性能随处理器数量增加而增强，能最大限度地提高计算速度，并且系统的性价比高，为众多用户创造了使用超级计算机的条件。从最新TOP500排名表来看，峰值速度超过3 000亿次的25台超级计算机清一色为MPP系统。由此可见，MPP系统在当今的超级计算机市场已占据绝对优势，成为主流产品。其应用从科学和工程计算领域扩展到事务处理、决策支持等方面。
3.2 SSMP成为开发热点
MPP系统的可伸缩性与可编程性一直是一对非常突出的矛盾。NUMA（非均匀存储访问)结构为可伸缩性提供了有效的解决方法，传统的SNIP结构则在可编程性方面具有明显的优势，这两种思想的结合形成了SSMP(可缩放共享存储多处理)体系结构，使可伸缩性与可编程性得到较好的统一，成为实现超级计算机的有效途径之一。
3.3 向量机继续发展
20世纪80年代，以Cray系列为代表的向量机一直是超级计算机领域的主流产品，它占据着超级计算机90%的市场。进人90年代以后，由于受物理极限的限制，向量机的时钟周期进一步提高难度很大，加上研制周期长、开发成本高等诸多因素，向量超级计算机开始走下坡路。对此，业界曾有人预言:向量机(包括PVP)已日落西山，最终会被市场淘汰。然而从1998年SGI/Cray和NEC公司的行动来看，向量超级计算机的前途并非如此暗淡。
SGI/Cray于2005年6月16日公布了其新的SV1系列向量超级计算机。该系列采用CMOS结构，处理器峰值速度为4GFLOPS，单机柜节点峰值性能达到32GFLOPS，系统在最高配置时峰值性能为1 TFLOPS，存储容量达到ITB；运行第十代UN I-COs操作系统，不受“2000年问题”影响。SV1系统的性价比是当前市场领先向量系统的9倍，它是SGI/Cray公司发展超级计算机计划中的一个重要里程碑。
3.4 NOW结构前景广阔
通过高速网络将高性能的工作站互连起来，构成支持并行计算的工作站机群系统是获得廉价的巨大计算能力的一种有效方法，它与直接构造MPP系统相比，在结构的可伸缩性、系统的可用性和性价比等多方面有着更大的优势。组成NOW的工作站和互连网络可以是同构的，也可以是异构的；互连网络通常采用LAN，如以太网、令牌环网、FDDI等，也可以采用TM网络。
NOW当前的一个主要应用方向是并行Web服务器，由于Internet的迅猛发展，传统的Web服务器难以承受负载的不断增加和负载的多样性，利用NOW对用户提供并行服务，实现分布负载，缩短响应时间，是很好的解决方法。
4 结语
2004年是万亿次量级超级计算机蓬勃发展的一年。在推出的众多新产品中，以通用微处理器为基础的MPP结构仍占据主流地位。但以Cray SV系列、富士通VPP系列以及NEC SX系列为代表的PVP结构由于相关应用的需求，也显示了强劲的发展势头。在未来的几年中，受政府行为和市场需求的双重推动，超级计算机将向着更高的性能目标迈进。同时，随着半导体技术的发展趋于极限，基于一些新材料、新工艺的非传统超级计算技术，例如光互连技术、超导体计算机、分子计算机和量子计算机等也将蓬勃兴起。
参考文献
1 李峰.日本开发出每秒运算次数达58万亿次的超级计算机[J].功能材料信息，2005（1）
2 禾刀.第27次世界TOP500超级计算机发布[J].高性能计算技术，2006（3）
3 杜晓梅.第25次世界TOP500超级计算机发布[J].高性能计算技术，2005（3）
4 曹来发.超级计算机[J].科技情报开发与经济，2005（7）
关键词 超级计算机 MPP结构 NOW结构
中图分类号 TP338.4 文献标识码 A
1 超级计算机的现状
1．1 超级计算机的分类
超级计算机可分两类，采用专用处理器或者采用标准兼容处理器。前者可以高效地处理同一类型问题，而后者则可一机多用，使用范围比较灵活、广泛。专一用途计算机多见于天体物理学、密码破译等领域。国际“象棋高手”“深蓝”、日本的“地球模拟器”都属于这样的超级计算机。据统计，500强超级计算机有232个是非专用系统，服务于军事、医药、气象、金融、能源、环境和制造业等众多领域。
1．2 世界超级计算机的现状
目前，世界排名前10位的超级计算机中美国有7台，但首位却是日本“地球模拟器”。该模拟器是2002年由日本电气公司开发成功，每秒运速为35.86万亿次，曾长时间保持世界超级计算机运速的最快记录。这一排名极大地刺激了美国，为此美国能源部赶快和IBM等公司合作研制，并于2004年9月开发成功了“地球模拟器”。日本也穷追猛赶并于2004年10月20日由日本电气公司宣布，已开发成功世界运速最快的“SX-8”超级计算机，每秒运速为 58万亿次，由5/2台计算机连接在一起，中央处理器由日本电气公司提供。美国国防部立即启动一项计划：开发一台每秒1 000万亿次超级计算机。而雄心勃勃的日本电气公司、东芝公司和日立制作所三家合作，抛出了一个具体计划，即于2010年开发出每秒运速为1 000万亿次以上的超级计算机，并且由日本东京大学牵头联合研制世界上最高速超级计算机“GRAPE-DR”，每秒可运行2 000万亿次。
1．3 中国超级计算机的现状
从1978年，邓小平同志在第一次全国科技大会上说：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”此后，我国计算机专家奋起直追，经过几十年不懈努力，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”等高性能计算机的出现，使我国成为继美国、日本之后第三个具备自行开发高性能计算机的国家。
1983年，“银河I”在国防科技大学诞生；1992年，“银河II”10亿次巨型计算机在长沙通过鉴定；1997年，由国防科技大学计算机研究所研制的“银河III”并行举行计算机在北京通过国家鉴定。“银河III”并行巨型计算机袭用在用访存指令直接访问全局共享分布存储器，基于三维环网拓扑的宽带、低延迟通信、MPP资源管理与处理机调度、可移植PDI框架的并行I/O软件、面向多种语言、多目标机的具有统一中间代码结构的高性能优化编译，巨型计算机高性能网络软、硬件设计等技术方面属于领先水平，系统综合达到当前国际先进水平。
1993年，曙光1号由国家智能中心推出；1995年5月，曙光2号推出；此后陆续在1998年、1999年推出“曙光2000—I”、“曙光2000-II”超级服务器。
而1999年研制出的“神威”，其高性能主要表现在，它是一种可缩放大规模并行计算机系统，其峰值运算速度可高达每秒3 840亿浮点结果，位居当今全世界已投入商业运行的前500位高性能计算机的第48位。
2 超级计算机的用途推动其发展
超级计算机的应用十分广泛，其主要包括计算密集型(如大规模工程计算和数值模拟)、数据密集型(如数据仓库和数据采集)以及通信密集型(如协同工作和远程遥控)三个方面。超级计算机的进步极大地推动了这些应用的发展；反之，这些应用领域不断出现的新需求又直接地刺激了超级计算机的研究与开发。
美国能源部（DOE）的“加速战略计算创新”(AS-CI)计划是在全面禁止核试验的情况下，为了保持它的核威慑能力和核垄断地位而提出的一项创新计划。通过该计划，美国采用以计算为基础的方法代替以地下核试验为基础的方法，利用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。ASCI共投资10亿美元，主要参与者有SNL、LANL、LLNL三个国家实验室和Utah、Illinois、Stanford、Chicago、CalTech五所大学，在工业界选择了IBM、Intel和SGI/Cray三个合作伙伴。ASCI计划将为DOE提供5台1-100TFLOPS的超级计算机。第一台是Intel公司1996年宣布的1.8TFLOPS“ASCI红色”，现已在SNL安装使用；1998～1999年完成两台3万亿次量级的系统，即上面提到的“ASCI蓝色太平洋”和“ASCI蓝山”，它们将分别安装在LLNL和LANL；去年2月份IBM又与DOE签约，定于2000年完成由8 000个处理器构成的lOTFLOPS“白色选择”，届时该系统也将安装在LLNL。此外，DOE的规划还确定2001年将完成30TFLOPS，2004年实现100TFLOPS。为了解决10-100TFLOPS机器的关键技术，DOE在去年又推出了ASCI的一个补充计划——Pathforward计划，该计划拟解决4项关键技术:可扩展互连技术；分布式并行操作系统；并行程序调试和性能监测环境；大容量数据存储技术。
印度虽只是一个发展中国家，但它对超级计算机在核武器研制中的应用十分重视。印度政府认为，超级计算机为印度提供了在计算领域与发达国家进行平等竞争的机会。为了不受制于发达国家的禁运，印度政府制定了Param计划，具体由印度先进计算技术开发中心(C-DAC)负责执行。该计划至今已先后推出了Param 8000、 8600、9000和10000系统，尤其是1998年推出的Param 10000系统综合了NOW(工作站网络)、COW(工作站群)和MPP(大规模并行处理)结构的优点，具有良好的可伸缩性，可提供台式机至TFLOPS级的性能。Param 10000最高配置1000个节点，每个节点含4个300 MHz的U1traSPARC-II处理器。据分析，印度政府去年5月份之所以冒天下之大不题，连续5次进行核爆破，其重要目的之一就是要为它新研制的超级计算机提供各种实际核试验数据，为将来利用超级计算机进行实验室模拟打下坚实的基础。
技术侦察是世界各国都非常重视的军事领域，为了能及时有效地对侦察到的各种信号、密码进行处理和破译，技术侦察部门往往都配备了非常先进的超级计算机处理系统。例如，美国国家安全局配备的超级计算机以5240.02GFLOPS的总计算能力高居因特网不久前发布的世界计算能力最强站点排名表之首，尤其是它的T3EI200 LC1080和T3E900 LC1328分别达到了1263.6GFLOPS和1165.32GFLOPS的峰值性能。此外，为了以超级计算机为辅助手段提高武器性能、部队战斗力和防卫系统的水平，美国国防部(DOD)投资20亿美元，制定了为期8年的“高性能计算现代化计划”(HPCMP)。该计划分10个领域，包括计算流体动力学、计算化学和材料科学、大气、海洋建模和模拟等。HPCMP计划的策略是采购市场上最先进的软、硬件系统构成超级计算机。
美国政府曾在1994年专门成立了一个千万亿次机应用研究小组，研究结论是有12个领域的62种应用需要千万亿次级计算机，它们都是国民经济、国家安全和基础科学研究方面的重大问题，例如天文模拟、飞机大涡流模拟、能量研究等。为此，美国政府在1998年度的“计算、信息与通信”(CIC)计划蓝皮书中，已正式将千万亿次超级计算机的软、硬件研究列入计划。CIC计划是1997年由着名的“高性能计算与通信”(HPCC)计划扩展而成的一项战略性研究计划，具体由美国国家科学技术委员会负责管理实施，美国能源部、国防部、教育部、国家科学基金会、航空航天局、环境保护局等12家单位参与了该项计划。另外，日本东京大学也已计划在未来5年时间内研制出专门用于天体物理中多体问题计算的GRAPE-6专用超级计算机，若该计划能如期完成，它将是世界上第一台峰值性能达到千万亿次量级的超级计算机。
3 超级计算机的展望
3.1 MPP结构仍是主流体系结构
MPP系统由于突破了冯·诺伊曼机顺序执行的限制，系统性能随处理器数量增加而增强，能最大限度地提高计算速度，并且系统的性价比高，为众多用户创造了使用超级计算机的条件。从最新TOP500排名表来看，峰值速度超过3 000亿次的25台超级计算机清一色为MPP系统。由此可见，MPP系统在当今的超级计算机市场已占据绝对优势，成为主流产品。其应用从科学和工程计算领域扩展到事务处理、决策支持等方面。
3.2 SSMP成为开发热点
MPP系统的可伸缩性与可编程性一直是一对非常突出的矛盾。NUMA（非均匀存储访问)结构为可伸缩性提供了有效的解决方法，传统的SNIP结构则在可编程性方面具有明显的优势，这两种思想的结合形成了SSMP(可缩放共享存储多处理)体系结构，使可伸缩性与可编程性得到较好的统一，成为实现超级计算机的有效途径之一。
3.3 向量机继续发展
20世纪80年代，以Cray系列为代表的向量机一直是超级计算机领域的主流产品，它占据着超级计算机90%的市场。进人90年代以后，由于受物理极限的限制，向量机的时钟周期进一步提高难度很大，加上研制周期长、开发成本高等诸多因素，向量超级计算机开始走下坡路。对此，业界曾有人预言:向量机(包括PVP)已日落西山，最终会被市场淘汰。然而从1998年SGI/Cray和NEC公司的行动来看，向量超级计算机的前途并非如此暗淡。
SGI/Cray于2005年6月16日公布了其新的SV1系列向量超级计算机。该系列采用CMOS结构，处理器峰值速度为4GFLOPS，单机柜节点峰值性能达到32GFLOPS，系统在最高配置时峰值性能为1 TFLOPS，存储容量达到ITB；运行第十代UN I-COs操作系统，不受“2000年问题”影响。SV1系统的性价比是当前市场领先向量系统的9倍，它是SGI/Cray公司发展超级计算机计划中的一个重要里程碑。
3.4 NOW结构前景广阔
通过高速网络将高性能的工作站互连起来，构成支持并行计算的工作站机群系统是获得廉价的巨大计算能力的一种有效方法，它与直接构造MPP系统相比，在结构的可伸缩性、系统的可用性和性价比等多方面有着更大的优势。组成NOW的工作站和互连网络可以是同构的，也可以是异构的；互连网络通常采用LAN，如以太网、令牌环网、FDDI等，也可以采用TM网络。
NOW当前的一个主要应用方向是并行Web服务器，由于Internet的迅猛发展，传统的Web服务器难以承受负载的不断增加和负载的多样性，利用NOW对用户提供并行服务，实现分布负载，缩短响应时间，是很好的解决方法。
4 结语
2004年是万亿次量级超级计算机蓬勃发展的一年。在推出的众多新产品中，以通用微处理器为基础的MPP结构仍占据主流地位。但以Cray SV系列、富士通VPP系列以及NEC SX系列为代表的PVP结构由于相关应用的需求，也显示了强劲的发展势头。在未来的几年中，受政府行为和市场需求的双重推动，超级计算机将向着更高的性能目标迈进。同时，随着半导体技术的发展趋于极限，基于一些新材料、新工艺的非传统超级计算技术，例如光互连技术、超导体计算机、分子计算机和量子计算机等也将蓬勃兴起。
参考文献
1 李峰.日本开发出每秒运算次数达58万亿次的超级计算机[J].功能材料信息，2005（1）
2 禾刀.第27次世界TOP500超级计算机发布[J].高性能计算技术，2006（3）
3 杜晓梅.第25次世界TOP500超级计算机发布[J].高性能计算技术，2005（3）
4 曹来发.超级计算机[J].科技情报开发与经济，2005（7）
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