高性能计算国际发展态势分析

i高性能计算国际发展态势分析中国科学院国家科学图书馆成都分馆二〇〇八年三月══════════════════════════════════════════════════════地址：四川省成都市一环路南二段16号邮编：610041电话：[phone]电子邮件：[e-mail]高性能计算国际发展态势分析唐川姜禾张勐平昭（中国科学院国家科学图书馆成都分馆情报研究部，成都，610041）摘要：高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。随着信息化社会的飞速发展，高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。本报告回顾了高性能计算在近年（特别是2007年）的发展，并综合分析了业内专家对一些热点与趋势的看法。高性能计算在2007年以突飞猛进的速度在发展，速度最快的通用型系统的峰值性能已跃升至478.2Teraflop（万亿次浮点计算/秒）；从国家与地区之间的竞争来看，欧洲和亚洲的少数国家取得了巨大进步，但主要格局未发生显著变化，美国依然具有压倒性优势。在高性能计算系统的组成部分中，集群系统的主导地位在持续扩大，处理器将由多核向众核与异构架构发展，千兆以太网和Infiniband依然是最具优势的主流互联技术，而Linux的优势由于集群系统的流行得到了巩固。此外，对于高性能计算领域当前的一些热点与趋势，业内专家表达了各种各样的观点。如众多专家认为芯片级异构架构和系统级异构架构将被更多的应用于高性能计算系统，且可重构计算将成为热点。对于多核技术带来的并行计算挑战，一些专家提出采用流式编程、数据并行、用户自己开发实用工具、使用商业数据库隔离应用程序与底层硬件等策略来应对；在编译工具和语言开发方面，业内机构主要采用了四种策略，包括改进MPI、开发专有方案、扩充当前语言的语义以及开发全新的通用型高效能计算语言。随着高性能计算系统规模不断扩大，能耗、系统资源利用效率等问题正成为影响、甚至限制高性能计算发展的因素，受到了广泛关注与重视，推动绿色高性能计算与开发高性能计算虚拟化技术已成为必然趋势。报告对高性能计算的应用作了较为全面的介绍，并重点介绍了科学研究领域的高性能计算及特点。高性能计算技术已经被广泛地应用于生命科学、物理、化学、材料等研究领域，还被用于能源、气候、环境、金融、游戏等产业与公共服务。世界上最先进的高性能计算机的用户主要来自学术界、政府部门、产业界等，在各领域的应用都在不断加强的同时也呈现出较为剧烈的相对变化。高性能计算已成为科学研究不可或缺的重要工具，未来的需求也极为巨大，部分国家已开始建造千万亿次（Petaflop）级别的计算系统以满足科研需求。各科研领域的前沿挑战也对高性能计算提出了多方面的要求，各领域对算法、计算速度、存储容量、带宽等都有不同要求，本报告介绍了纳米、气候、生物等领域对当前的主流算法（稠密与稀疏线性代数、快速傅里叶变换、自适应网格细化等）的需求，并归纳总结了生物学和地球科学中一些前沿挑战对算法和系统性能的需求。本报告还介绍了美国、欧盟、日本、英国这几个处于高性能计算发展前列的国家或地区2006年以来制定的新计划，以及近年来重大计划的最新进展情况。美国在高性能计算机系统、软件研制、应用部署等诸方面具有全面的领先优势。政府不断通过信息技术科研计划推动高性能计算的发展，有望很快实现千万亿次计算。2007年美国国家科学基金会资助了两个项目，计划在2010年左右实现多层次的千万亿次高性能计算环境，并支持应用软件的开发和维护。能源部继续推进ASCI/ASC项目，进一步提高精度和正确性，把超级计算机系统的验证目标设定为每秒千万亿次，并已部署百万万亿次超级计算计划，以应对能源、环境可持续性和安全方面的全球挑战。国防部HPCS计划已进入大规模开发的第三阶段，性能要求升至4Petaflop。政府跨部门“网络与信息技术研发计划（NITRD）”计划继续获得了巨额经费支持。欧盟第七框架计划（FP7）投入了大量资金支持千万亿次高性能计算系统的发展。欧洲高性能计算技术组（HET）提出的“欧洲千万亿次超级计算”研究报告认为前沿水平的高性能计算对于欧洲科学和经济的发展有着重要的战略作用。欧盟14国在2007年启动了“欧洲iii先进计算合作伙伴（PRACE）”计划。此外还介绍了欧洲超级计算应用分布式架构（DEISA）计划。这些计划都体现了欧盟特别重视高性能计算的应用。日本下一代超级计算机计划将研制峰值性能达10Petaflop的系统，该计划定位于硬件开发，绝大部分经费都将用于硬件开发和配置。英国高性能计算战略规划委员会制定了两项分别为期六年的发展计划：HPCx计划和HECToR计划，以支持高性能计算的发展。通过对这些相关计划的分析可以发现，支持高性能计算的发展已成为这些国家的一项重要战略。除了研制性能越来越高的系统，发达国家还非常重视高性能计算机在关键应用领域和部门的部署和使用。世界领先的高性能计算机研发企业和各国或地区的超级计算中心是推动高性能计算发展的主要力量，本报告选取世界高性能计算顶级企业IBM、HP、Cray以及美国国家能源研究科学计算中心、巴塞罗那超级计算中心、日本下一代超级计算机研发中心等机构，介绍和分析了它们在高性能计算领域的研发战略、研究计划、重要方向、最新动态等。这些领先研发机构发展方向各有侧重，IBM和日本下一代超级计算机研发中心继续走尖端高性能计算机研发路线，HP逐渐偏向于石油、电信、网游等广泛型应用，Cray则是将多处理器技术集成到一个单一系统中以满足不同的应用需求，另外各大公司也开始关注大众化、普及化的高性能计算机。各国或地区的超级计算中心对科学研究领域的服务与支撑更加重视，同时不断增强自身的超级计算能力。报告最后简要介绍了我国在高性能计算领域的发展现状及动态，并从高性能计算的战略规划、应用领域、基础设施建设、人才队伍培养和建设四个方面总结了我国高性能计算所面临的挑战，最后结合本领域专家的意见提出了我国高性能计算发展的相关建议。关键词：高性能计算，Top500，多核处理器，并行计算，异构，虚拟化，应用，战略计划iv目录1引言.............................................................................................................................................................12发展动态、热点与趋势..............................................................................................................................32.1从Top500看高性能计算................................................................................................................32.1.1集群主导地位持续扩大.......................................................................................................32.1.2多核已成主流，Intel引领发展...........................................................................................42.1.3千兆以太网稳居第一，Infiniband不断壮大.....................................................................42.1.4Linux独占鳌头，Windows蓄势待发.................................................................................52.1.5地区强弱格局依然分明.......................................................................................................52.2技术发展动态..................................................................................................................................62.2.1处理器...................................................................................................................................62.2.2互联网络与存储...................................................................................................................72.2.3操作系统...............................................................................................................................82.2.4新颖的高性能计算...............................................................................................................92.2.5研发中的高性能计算...........................................................................................................92.3专家解读：热点与趋势..................................................................................................................92.3.1处理器：走向众核与异构...................................................................................................92.3.2并行计算.............................................................................................................................132.3.3绿色高性能.........................................................................................................................142.3.4虚拟化.................................................................................................................................163高性能计算应用的现状与前景....