高性能计算机研究的现状与展望

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1、高性能计算机研究的现状与展望樊建平陈明宇摘要高性能计算机的研制受永无止境的探求复杂的物理世界与人类社会本身的应用计算需求的驱动及研制者所处环境（人员、经验、经费等）及当时的可选择的实现使能技术的影响。回顾历史，任何时刻研制的最高性能的计算机总是服务于当时的科学计算的需求（材料模型、药物设计、气候模拟、核武器模拟、电磁学等）或者称是以科学计算为最初应用的靶子进行设计的（当前最快的日本EarthSimulation与IBMBLUE/Gene两个项目是很好的例子），而高性能计算机使用与发明的技术逐步向商用领域转移与转化（SMP、MPP、Clu

2、ster等），计算性能（当前的设计目标是Petaflops）及与其相匹配的存储、带宽等指标成为高性能计算机设计者追求的持续性关键指标。高性能计算机的实现使能技术包括计算数学（计算模型与算法）、计算机体系结构与部件构成技术三部分，为保持每十年性能增加700-1000倍左右的速度（远高于摩尔定律单芯片的发展速度）及高性能计算能力70%的年增长需求，高性能计算机设计师仅仅考虑体系结构与部件构成两部分已不能满足现实的需求，对计算数学有相当的了解已成为必然。本文以性能为叙述主线，介绍高性能计算机研制的历史、现状与未来展望。1高性能计算机研制的历史

3、回顾1.11950-2002历史的简单回顾电子计算机在诞生之初主要就是为科学计算服务的。到1960年代，随着技术的成熟，计算机开始走向各种商业领域的应用，并且应用范围越来越广泛。因此，为了有别于“通用计算机”，专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为“高性能计算机”，或简称HPC。可以把1970年代出现的向量计算机看作是第一代的高性能计算机。通过在计算机中加入向量流水部件，可以大大提高科学计算中向量运算的速度，其中比较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列向量机。中国有代表性的是银河一号及中科院计算所的757计算机。8

4、0年代初期，随着VLSI技术和微处理器的技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破。通过多个廉价的微处理器构建的并行化超级计算机首先从成本上具有了无可比拟的优势。“性能/价格比”而非单一性能成为衡量高性能计算机系统的重要指标。按照摩尔定律速度发展的微处理器的性能快速超越传统向量机。1990年代初期，大规模并行处理（MPP）系统已经开始成为高性能计算机发展的主流。MPP主要由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。比较有代表性的有TMC的CM-5,IntelParagon等。中国的第一个MPP系统

5、是计算所国家智能机中心的曙光1000计算机。较MPP早几年问世的对称多处理机SMP系统，是由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成的计算机系统（国内最早基于微处理器的SMP为曙光1号）。和MPP相比，早期的SMP扩展能力有限，并不具有很强的计算能力。但由于SMP与单机系统兼容性好，是单机系统的升级与增强，被广泛应用于商业计算领域。1990年代中后期的一种趋势是将SMP的优点和MPP的扩展能力结合起来，这一趋势发展成后来的CC-NUMA结构，即分布式共享内存。每个处理器节点都可以访问到所有其它节点的内存，但访问远程内存需要的延

6、迟相对较大。代表性的系统有SequentNUMA-Q,SGI-CrayOrigin等,国内的神威与银河系列等。CC-NUMA本身没有在提高性能的角度上进行较大的创新，主要优点是便于程序的开发和与SMP的兼容性。而对科学计算任务CC-NUMA结构是否优于MPP系统仍存在争议。在发展CC-NUMA同时，机群系统（Cluster）也迅速发展起来。类似MPP结构，机群系统是由多个微处理器构成的计算机节点通过高速网络互连而成。节点一般是可以单独运行的商品化计算机。由于规模经济成本低的原因，机群系统具有比MPP更高的性能/价格比优势。机群系统还继承

7、MPP系统的编程模型，更进一步加强其竞争优势。代表性的系统是IBMSP2，国内有曙光3000，4000等系列。到2000年初机群实际上已经构成了高性能计算机系统的主流。据2003年的统计，TOP500中的MPP(含CC-NUMA)占42%,Cluster占29.8%。RankManufacturerRmaxInstallationSiteComputer/ProcsRpeakCountry/Year1NEC35860.00EarthSimulatorCenterEarth-Simulator/512040960.00Japan/2002

8、2Hewlett-Packard13880.00LosAlamosNationalLaboratoryASCIQ-AlphaServerSCES45/1.25GHz/819220480.00USA/2002