高性能计算综述

高性能计算综述****摘要：高性能计算简称HPC(HighPerformanceComputing)，是计算机科学的一个分支，特指当今具有超强计算能力的一类计算机。它致力于开发高性能计算机，主要采用模拟方法，解算当今超大、超高、超复杂的计算任务，研究并行算法及开发相关软件。高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后，人类认识世界改造世界的第三大科学研究方法。本文就这一领域技术的地位作用、优势、现状与发展、分类、技术难点和研究方向、应用、发展展望等问题作一概要介绍。关键词：超级计算；高性能计算；高效能计算；大规模并行处理1引言高性能计算(HighPerformanceComputing，HPC)是计算机科学的1个分支，主要指从体系结构、并行算法和软件开发等多个方面研究开发高性能计算机的技术。高性能计算本身并没有确切定义，它是指通过一定途径，获得比当前主流计算机更高性能的计算能力的技术。高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后，人类认识世界、改造世界的第三大科学研究方法，是科技创新的重要手段。在当前社会情况下，高性能计算已经成为一个国家综合实力的体现，对国家战略的发展有着重要影响。目前，高性能计算技术已经广泛应用于航空航天、汽车制造、核试验模拟、军事情报搜集处理、天气预报等多方面。通过高性能计算，人们可以完成很多目前计算机无法完成的实验，既可以免除真实实验的巨大费用，又不会对环境造成任何的影响。通常来讲，高性能计算有2种表现方式：①提升单机的计算能力；②通过网络连接多台计算机，进而提升计算能力。第一种方式多是指提升CPU的处理能力，而随着CPU主频的提高受制于制作工艺，CPU的发展方向已经由单核向多核发展。事实证明，很多情况下CPU过多的核心反而会降低CPU的处理能力。近几年出现的GPGPU技术已经成为提升单机处理能力的主要技术。第2种方式是通过整合多台网络计算机而提升计算能力，因此性价比较高，已经逐渐成为主流方式。2高性能计算的地位作用美国在计算机与信息技术领域，一直处世界霸主地位。高性能计算机与高性能计算技术被认为是美国国家的制高点技术，历届政府都高度重视，重点发展。克林顿总统时代，大力推进HPCC（HighPerformanceComputing&Communications）计划，大力研制一代代新机器，建设许多超级计算中心，利用高性能计算机解决许多科技方面的“大挑战问题”，推动众多科学和技术领域的大发展。HPCC计划还把因特网（Internet）公开民用，推向全球，推动了信息化时代的到来。布什总统时代，虽然重点是反恐，但对高性能计算的发展丝毫没有放松。2005年总统IT顾问委员会的专题咨询报告，再次提出“HPC是国家核心竞争力，要大力发展”。奥巴马总统执政以来，经济问题、医改问题一直是当务之急，但也没有放松HPC发展。2011年1月25日总统国情咨文报告中，再提到中国拥有了世界上最快的计算机，美国决不能松劲。科学技术发展历来依靠“理论、试验”，而今天“计算”已是第三手段，而且是越来越重要的手段。许多科技领域的发展已离不开“计算”，许多学科已与计算相互复合。ＨＰＣ在国家科技、国防、产业、金融、服务、生活等方面都占有不可或缺的重要地位。譬如：核物理、核能、核动力、核安全技术；空气动力学（航天、航空、航海、高速运载器）；大气、海洋与空间（天气与灾害预报，全球变暖）；能源（油气勘探与开采，新能源）；生命科学、生物工程、新药研制；新材料；高新制造（汽车、微电子）；信息与社会安全（密码学、监控）；数据中心与服务中心等等。中国自1958年开始自主研制计算机，并用于解决中国国内的各种需求，成绩卓著。1983年国防科技大学研制成功中国第一台HPC机———银河亿次计算机YH－１，使中国成为继美、日后国际上少数能自主研制HPC机的国家之一。2010年８月国防科技大学为“国家超级计算天津中心”研制成功的天河机TH－1A，其计算速度在当年11月国际TOP500排名中,列世界第一,为国家赢得荣誉,为中国HPC发展与应用作出了新贡献。全球HPC机的研制，美国占绝对优势，全球最快500台计算机中，美国研制的占３／４以上。其次是日本和中国，欧洲研制的极少。但世界各国都高度重视ＨＰＣ能力的建设与应用，2011年６月底世界最高性能,500台计算机的装备使用情况如下：美国：256台，世界绝对第一；中国：62台，世界第二；欧洲：125台，其中，德国30台，英国27台，法国25台；亚洲:103台，其中除中国62台外，日本26台，其他国家拥有很少。2011年6月底世界最快的10台机器（运算速度均达每秒1000万亿次以上），美国拥有5台，中国和日本各２台，法国１台。高性能计算机的发展水平已经成为衡量一个国家高新科技水平和综合实力的重要标志。高性能计算机可以对所研究的对象进行数值模拟和动态显示，从而获得实验很难甚至无法得到的结果。它相对于理论科学和实验科学，有其独特的优越性。首先，高性能计算既免除了真实实验的昂贵代价，而且不会对环境产生任何影响，即所谓无损伤研究。第二，高性能计算可以实现全过程全时空的研究,获取研究对象发展变化的全部信息。第三，高性能计算可以低成本地反复进行，获得各种条件下全面系统的数据。事实证明，有了高性能计算不再需要进行核试验，有了高性能计算可以预测海啸和地震的危害，有了高性能计算可以通晓人类大脑的奥秘和生命的密码。在我国为满足国民经济发展的需要，高性能计算的需求正在迅速增长。无论是国家安全、石油气象等主要领域，还是以生物医药、微观结构研究为代表的新一代科技，都高度依赖高性能计算。它们的发展很大程度上取决于高性能计算的发展。尤其是基础科学领域，对计算的需求永无止境，而且越高性能的计算机越能产生高精度高时效的成果。3高性能计算的优势3.1计算科学应用是高性能计算技术发展的源动力计算科学的兴起是20世纪后半叶最重要的科技进步之一，大大丰富了当今世界的科学研究活动。高性能计算作为计算的高端，代表计算机发展的方向和应用的前沿，更加得到关注和重视。有关高性能计算的突破和发展都被视为科技的重大进步，随着技术的下移，对相关产业的发展有广泛的带动作用。回顾历史，任何时候研制的最高性能的计算机总是服务于当时的科学计算需求，主要研究领域包括新型材料、药物设计、气候模拟、核武器模拟、电磁学、工业产品、海量数据处理、国防和安全等，或者称是以科学计算为最初应用的靶子进行设计的，如日本地球模拟器系统与IBM蓝色基因系统两个项目。而高性能计算机技术逐步向商用领域转移与转化，计算性能及与其相匹配的存储容量、互连网络带宽等指标成为高性能计算机设计者追求的持续关键指标。我国早期的高性能计算机依赖于进口，极大地限制了应用，这也激发了我国自主研发高性能计算机的决心。随着自主研制的高性能计算机“神威”、“银河”、“曙光”等的发展，美国和日本对我国的限制也一步一步放宽，大型计算机的价格也在下跌。各种因素的综合促进了高性能计算的应用。近几年随着我国在高性能计算技术和应用方面的大力支持，我国各个领域的计算应用开始利用高性能计算工具，高校纷纷开设并行计算相关课程。随着社会信息化步伐的加快，高性能计算应用将快速发展。3.2高性能计算机研制推动应用的发展经过近半个世纪的发展，高性能计算机从最初的向量计算机，历经对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP)，一直发展到机群系统(cluster)和星群系统(constellation)，实现了飞速发展。万亿(Tflops)、百万亿乃至千万亿(Pflops)次的高性能计算机将逐渐进入人们的视野。近两年，关于研制千万亿次高性能计算机的讨论日渐火热。美日两国更是在千万亿次高性能计算机的研制上进行了激烈的竞争，相继推出千万亿次机器的研制计划。例如日本Riken高性能计算中心和NEC针对生化领域的MDGRAPE-3，预计在2008年安装在美国能源部橡树岭国家实验室的CrayBaker和IBM的蓝色基因PP计划等。目前预计千万亿次系统将在2009~2011年间集中涌现在我国，千万亿次高性能计算机的研制也提上了议事日程。根据十一五高性能计算机研发计划，我国将在2008年完成2台百万亿次高性能计算机系统的研发，并适时推出千万亿次高性能计算机。高性能计算机性能的提高必将推动应用的发展。在美国，高性能计算主要用于核武器研究、国家防御、国家安全、能源与环境、生物科学、地球科学、材料科学、天文学、药物设计、物理化学、电子器件及金融领域。日本的高性能计算主要为重大的科学探索和研究服务，如地球模拟器主要用于大气与海洋模拟、固体地球模拟、多尺度模拟等。欧盟国家投资高性能计算主要鼓励生命科学、信息技术、纳米技术、天文和空间科学、食品质量和安全、可持续发展等项目。我国高性能计算以经济发展为目的，涉及气象数值模拟与预报、地震预报、生物信息、药物设计、环境科学、空间科学、材料科学、计算物理、计算化学、流体力学、地震三维成像、油藏数值模拟、天体星系模拟、金融、制造等众多领域。3.3高性能计算应用促进科技创新和社会进步随着研究的深入和竞争的加剧，各领域越来越多地使用高性能计算技术来解决科研和生产中的实际问题。高性能计算应用的发展不但促进了科技创新，也促进了社会的进步。高性能计算应用发展水平逐渐成为衡量一个国家综合国力和国际竞争力的重要指标。国外的高性能计算应用已经具有相当的规模，在各个领域都有比较成熟的应用实例。在物理、化学、生物等科学研究领域已广泛利用高性能计算手段，在其它领域也广泛被应用。例如在政府部门大量使用高性能计算机，能有效地提高政府对国民经、社会发展的宏观监控和引导能力，包括打击走私、增强税收、进行金融监控和风险预警、环境和资源的监控和分析等等。例如在能源领域，世界上石油公司通过高性能计算机处理石油勘探数据，为能源的发现提供了支撑。在工业产品设计领域，例如美国通用机械(GM)和通用电气(GE)等跨国集团用网络将全球各地设计中心的服务器和贵重设备连接成一个整体，以便于工程师和客户共同设计产品，设计时间可缩短100倍。对很多大型企业来说，采购成本是总成本的重要组成部分，例如福特等集团用高性能计算机构造了一个网上集市，通过网络连到它的3万多个供货商。这种网上采购不仅能降低价格，减少采购费用，还能缩短采购时间。此外，制造、后勤运输、市场调查等领域也都是高性能计算机大显身手的领域。随着“网络计算”和“后PC时代”的到来，全世界将有数十亿的客户端设备，它们需要连到数百万台高性能服务器上。高性能计算机将越来越得到产业界的认同，成为重要的设计、生产和管理工具。高性能计算应用在高性能计算技术的支持下为我国的科技创新作出了巨大贡献，并且和高性能计算技术在相辅相成中不断发展。近年来，我国对大规模科学计算和高性能计算都给予了极大的重视和投入。国家973计划和863计划均有对高性能计算方面的大量投入，而且包括计算机界的许多学者认识到应用的重要性，特别是高性能计算的应用，给予了高度的关注。在传统的高性能计算应用领域如国防安全，核爆模拟，石油勘探数据处理，天气预报，洋流研究等有更大的发展。在新的应用领域，如生物信息，基因，纳米材料，微电子，工业产品设计和制造等方面也有很快的发展。在信息处理领域，政府、金融、流通领域纷纷用高性能计算资源处理海量数据。高性能计算的应用得到各方面的关注和重视。高性能计算相对于理论科学和实验科学，有其独特的优越性。首先，高性能计算既免除了真实实验的昂贵代价，而且不会对环境产生任何影响，即所谓无损伤研究。第二，高性能计算可以实现全过程全时空的研究，获取研究对象发展变化的全部信息。第三，高性能计算可以低成本地反复进行，获得各种条件下全面系统的数据。事实证明，有了高性能计算不再需要进行核试验，有了高性能计算可以预测海啸和地震的危害，有了高性能计算可以通晓人类大脑的奥秘和生命的密码。3.4网格是高性能计算应用发展的新趋势21世纪网络化是高性能计算应用最重要的趋势，网格(grid)已经成为高性能计算的一个新研究热点。用美国网格计算领导人Foster的话来说，网格是构筑在互联