高性能计算综述.docx

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1、高性能计算综述摘要：高性能计算简称HPC(High Performance Computing)，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与实验科学之后，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、现状及开展、分类、技术难点与研究方向、应用、开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( High Performance Computing，

2、HPC)是计算机科学的1个分支，主要指从体系构造、并行算法与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与实验科学之后，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表达，对国家战略的开展有着重要影响。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

3、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：提升单机的计算能力；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的开展方向已经由单核向多核开展。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，因此性价比拟 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及信息技术领域，一直处世界霸主地位。高性能计算机及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

4、重视，重点开展。克林顿总统时代，大力推进HPCCHigh Performance Computing & Communications方案，大力研制一代代新机器， 建立许多超级计算中心，利用高性能计算机解决许多科技方面的“大挑战问题，推动众多科学与技术领域的大开展。HPCC方案还把因特网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，但对高性能计算的开展丝毫没有放松。2005年总统IT参谋委员会的专题咨询报告，再次提出“HPC是国家核心竞争力，要大力开展。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开展。2021年1月25

5、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。 科学技术开展历来依靠“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。许多科技领域的开展已离不开“计算，许多学科已及计算相互复合。在国家科技、国防、产业、金融、效劳、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、核平安技术；空气动力学航天、航空、航海、高速运载器；大气、 海洋及空间天气及灾害预报，全球变暖；能源油气勘探及开采，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；信息及社会平安密码学、监控；数据中心及效劳中心等等。 中国自1958年开场自主研制计算机，并用

6、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，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。2021年月国防科技大学为“ 国家超级计算天津中心研制成功的天河机TH1A，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开展及应用作出了新奉献。 全球HPC机的研制，美国占绝对优势，全球最快500台计算机中，美国研制的占以上。其次是日本与中国，欧洲研制的极少。但世界各国都高度重视能力的建立及应用，2021年月底世界最高性能,500台计算机的装备使用情况如下： 美国：256台，世界绝对第一；

7、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。 2021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，中国与日本各台，法国台。高性能计算机的开展水平已经成为衡量一个国家高新科技水平与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展数值模拟与动态显示，从而获得实验很难甚至无法得到的结果。它相对于理论科学与实验科学，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

8、研究 ,获取研究对象开展变化的全部信息。第三，高性能计算可以低本钱地反复进展，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展核试验，有了高性能计算可以预测海啸与地震的危害，有了高性能计算可以通晓人类大脑的奥秘与生命的密码。在我国为满足国民经济开展的需要，高性能计算的需求正在迅速增长。无论是国家平安、石油气象等主要领域，还是以生物医药、微观构造研究为代表的新一代科技，都高度依赖高性能计算。它们的开展很大程度上取决于高性能计算的开展。尤其是根底科学领域，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

9、开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，代表计算机开展的方向与应用的前沿，更加得到关注与重视。有关高性能计算的突破与开展都被视为科技的重大进步，随着技术的下移，对相关产业的开展有广泛的带动作用。回忆历史，任何时候研制的最高性能的计算机总是效劳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、国防与平安等，或者称是以科学计算为最初应用的靶子进展设计的，如日本地球模拟器系统及IBM蓝色基因系统两个工程。而高性能计算机技术逐步向商用领域转移及转化，计算性

10、能及及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、“曙光等的开展，美国与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与应用方面的大力支持，我国各个领域的计算应用开场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开展。3.2 高性能计算机研制推动应用的开展经过近半个世纪的开展，高性能计算机从最初

11、的向量计算机，历经对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP)，一直开展到机群系统( cluster )与星群系统(constellation )，实现了飞速开展。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炽热。美日两国更是在千万亿次高性能计算机的研制上进展了剧烈的竞争，相继推出千万亿次机器的研制方案。例如日本 Riken 高性能计算中心与NEC针对生化领域的MDGRAPE-3，预计在2021年安装在美国能源部橡树岭国家实验室的Cray Baker与IBM的蓝色基因P P方案等。目前预计千万亿

12、次系统将在2021 2021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方案，我国将在2021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开展。在美国，高性能计算主要用于核武器研究、国家防御、国家平安、能源及环境、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与研究效劳，如地球模拟器主要用于大气及海洋模拟、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、天文与空间科学、食品质量

13、与平安、可持续开展等工程。我国高性能计算以经济开展为目的，涉及气象数值模拟及预报、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与社会进步随着研究的深入与竞争的加剧，各领域越来越多地使用高性能计算技术来解决科研与生产中的实际问题。高性能计算应用的开展不但促进了科技创新，也促进了社会的进步。高性能计算应用开展水平逐渐成为衡量一个国家综合国力与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，在各个领域都有比拟成熟的应用实例。在物理、化学、生物等

14、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、社会开展的宏观监控与引导能力，包括打击走私、增强税收、进展金融监控与风险预警、环境与资源的监控与分析等等。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)与通用电气(GE)等跨国集团用网络将全球各地设计中心的效劳器与贵重设备连接成一个整体，以便于工程师与客户共同设计产品，设计时间可缩短100倍。对很多大型企业来说，采购本钱是总本钱的重要组成局部，例如福特等集团用高性能计算机构造了一个网上集

15、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“网络计算与“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效劳器上。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、生产与管理工具。 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奉献，并且与高性能计算技术在相辅相成中不断开展。近年来，我国对大规模科学计算与高性能计算都给予了极大的重视与投入。国家973方案与863方案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

16、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平安，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开展。在新的应用领域，如生物信息，基因，纳米材料，微电子，工业产品设计与制造等方面也有很快的开展。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与重视。高性能计算相对于理论科学与实验科学，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，获取研究对象开展变化的全部信息。第三 ，高

17、性能计算可以低本钱地反复进展，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展核试验，有了高性能计算可以预测海啸与地震的危害，有了高性能计算可以通晓人类大脑的奥秘与生命的密码。 网格是高性能计算应用开展的新趋势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，网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员与普通百姓提供更多的资源、功能与交互性，让人们透明地使用计算、存储等其他资源。在网格方面美国大大领先于其他国家，美国

18、当前对于网格研究的支持可及其70年代对 Internet研究的支持相比，10 年后可望普及到国民经济与社会开展的各个领域。TeraGrid是由美国国家科学基金会发起，由9个超算中心与国家实验室针对科学研究中出现的资源共享、合作研究等问题提出的。T eraGrid利用高性能网络，将分布在全国的高性能计算机、高端科学仪器、数据资源连接在一起，具有超过102Tflops的计算能力与15PB的存储能力。其他国际上比拟知名的网格还有欧盟的EGEE、英国的 e -Science与环太平洋网格应用及中间件联盟PRAGMA等。 我国对网格技术的研究也给及大力支持，十五、八六三方案的高性能计算专项与软件专项等重

19、大科研工程都及网格技术有关。中国国家网格(China National Grid, CNGrid)就是“八六三方案高性能计算机及其核心软件，重大专项支持建立的网格示范平台。CNGrid一期工程有8个计算结点遍布全国六大城市，总计算能力到达16Tflops，存储能力到达200TB，已经支持科学研究、资源环境、制造业与效劳业的11个行业应用，包括资源环境网格、航空制造网格、气象网格、科学数据网格、新药研发网格、森林资源及林业生态工程网格、生物信息网格、教育网格、城市交通信息效劳网格、仿真应用网格与国家地质调查网格。 开展公共超级计算中心具有战略意义超级计算中心是一个现代兴旺国家不可缺少的信息根底设

20、施。从全球来看，超级计算中心在主要工业化国家与第三世界的局部大国都有部署，都得到政府的大力支持，超级计算中心由政府为主投资进展设备更新与运营支持是全球的普遍模式。我国目前为数不多的超级计算中心由特定的部门建立与应用，有局部的开放，但很难被外界使用。国家科技部与教育部也曾经投资建立了一些高性能计算中心，但缺乏长期持续的支持与开展。近年来有地方政府建立超级计算中心，但缺乏国家级的高性能计算中心，缺乏长远的规划与目标。从我国的国情出发，设立少数公共超级计算中心不仅能满足我国高性能计算的强烈需求，同时能使有限的资源得到最有效的利用。众所周知，高性能计算机的开展速度快，初始投资与日常维护都需要大量的资金

21、，如果机器在生命周期内不能最大效益的发挥作用，必然形成资源浪费。一个部门与机构很难建立大规模的计算中心，但峰值的需求又不能得到满足。超级计算中心有大量的用户，各用户之间对资源的峰值需求有交织性，从而使超级计算机保持稳定的高利用率。超级计算中心的初始投资与运营维护费用分摊到所有用户上，能大量节约社会投资，提高政府资金的效率。客户能够使用的高性能资源超出了自身能够建立的范围，但本钱却大大降低。所以超级计算中心在美国又被称作“Cycle Shop。 超级计算中心在高性能计算产业链中扮演着独特的承上启下的重要作用。超级计算中心直接面对高性能计算终端用户，深刻理解用户的需求、各类应用特点，其经历对于高性

22、能计算软硬件厂商非常重要，对高性能计算用户的培养与教育对于扩大高性能计算市场极其重要。 同时目前绝大多数的超级计算中心的非盈利特性，使得其没有把运行重点放在直接经济利益回报上，从而能够代表政府去做及产业集合严密、合作各方多赢的事情。这都有利于一个安康、良好、多赢的高性能计算市场的形成与开展。超级计算中心要自觉地、主动地在学术与市场间广泛合作，游刃有余，串接起不同的价值链，让更多的人力资源、资金、技术、商誉更快地流动与转移。 超级计算中心是各学科知识聚集融合的场地，远远有别于一个单纯在计算机科学方面开展研究的IT研究机构 ,对于推动高性能计算应用的深度与广度至关重要。通过各类根底科学、工程科学的

23、各类科学家与专业技术人员及计算机专家、计算科学专家的互动，能积累丰富的经历、知识与成果。同时，超级计算中心在多学科交融的过程中，可以有更多的时机、更创新的模式为国家知识创新、科技创新提供更有效的支撑。4 现状及开展4.1 高性能计算的现状及开展高性能计算及传统计算相比拟，其最大特点是速度快、计算结果准确。而对高性能计算的研究也正围绕着这样一个特点，主要从两个方面进展研究：致力于开发尖端高性能计算机。利用现在迅猛开展的网格技术，实现高性能计算。自1946年第一台计算机ENIAC在宾夕法尼亚大学问世以来，在这短短的50年左右的时间里，冯、诺依曼体系的高性能计算机的迅猛开展，并且日益走向成熟大体来讲

24、，高性能体系构造主要包括：Cra式的向量超级计算机集群、可扩展的单处理器与多处理器集群。目前集群系统也正从大规模并行计算机与运行专用软件的集群向运行标准软件的专用集群与由商用硬件与软件自制而成的 Beowulf系统集群系统转变。网格计算是网络技术开展的新阶段。我们采用网格技术可以将Internet或者某个局域网中的所有这些闲置的软件或者硬件资源都联系起来形成一个潜在的资源池，产生了强大的计算能力。当用户需要进展大规模计算时，他可以使用这个资源池里的资源进展计算，这时就像家里的用电不需要考虑我们所使用的电源是由哪个发电厂生产的一样，不需要考虑所使用的具体资源所在的位置。这样的话，不管是何时何地，

25、我们的计算机资源都能得到合理的应用，而且能够得到一个理想的计算效果。在未来的高性能计算的开展中，尖端的高性能计算机是网格计算中的重要计算资源，而网格技术也为未来取得一个高性能计算的能力提供了一个优良的环境。4.2 中国高性能计算的现状及开展由于我国在高性能计算技术上起步比拟晚，工业水平及相应的经济开展程度低，再加上美国等西方国家一直把高性能计算技术作为重要的战略资源，长期以来对我国的实行全面的封锁与禁运，一直以来我国的高性能计算技术远远地落后于世界先进水平。20世纪90年代以来，随着“神威、“银河、“曙光、“深腾等一批知名产品的出现，我国成为继美国、日本之后的第三个具备高性能计算机系统研制能力

26、的国家，被誉为世界未来高性能计算市场的“第三股力量。我国在高性能计算机研制方面取得了较好的成绩，掌握了研制高性能计算机的一些关键技术，参及研制的单位也由科研院开展到企业界，有力地推动了高性能计算的开展。目前，我国的高性能计算环境已得到重大改善，总计算能力及兴旺国家的差距逐步缩小。 我国的高性能计算技术拓宽了我国科学技术研究的深度与广度，提高了我国工业的生产效率，同时也节约了很多生产本钱。我国的高性能计算技术目前主要在石油行业、天气预报、核能模拟、生物工程等领域得到了广泛的应用。但是中国高性能计算的应用还不够广、不够深入，应用水平与应用效率都比拟低下。我国对高性能计算应用的投入还远远不够，应用研

27、发力量薄弱且分散，缺乏跨学科的综合型人才，从事高端应用软件研发的单位很少，企业界根本未介入，没有良好的相互交流的组织渠道等。高性能应用软件的开发与高效并行算法研究尚不能及高端计算机开展同步，在一定程度上存在为计算机“配软件的思想。我国高性能计算应用的研究及创造明显滞后于高性能计算机的开展。国外品牌还占领着很多关乎国计民生的关键领域与行业，国产高性能效劳器的市场份额仍然偏低。4.3 高性能计算的开展阶段自1946年ENIA诞生以来，人们就没停顿对高性能计算的追求，总体经过以下几个阶段：4.3.1 PVP20世纪70年代出现的向量机可以看作是第一代的高性能计算机，以Cray Research公司开

28、发的 Cray系列计算机为代表。当时的并行向量机( Parallel VectorProcessing，PVP) 通过增加处理器个数、扩展存储器的方式不断提升计算能力，占领高性能计算市场达20年之久。其架构如图 1 所示，不过随着并行向量机处理器数目的增加，使得定制费用与维护费用越来越昂贵，性价比越来越低，已难以满足高性能计算机市场化的要求。这个类型的计算机以 CDC公司的CDC8600与CDC STAR- 100为代表。4.3.2 SMP随着大规模集成电路的出现，微处理器应运而生随着微处理器性能的不断提高，对称多处理( Symmetric Multi-Processing，SMP)计算机取代

29、了 PVP，直接导致并行向量机退出了高性能计算市场。这种技术在IL-LIAC IV时代就开场尝试应用了，其架构如图 2 所示：但是SMP计算机可扩展的处理器数目有限，加之对I /O与存储器操作的不便都限制了其开展。4.3.3 MPP20世纪90年代初，大规模并行处理(MassivelyParallel Processing，MPP)成为HPC开展的方向，并以ILLIAC IV与Cray I为代表，MPP架构下多个节点间通过网络进展连接，微处理器之间通过消息传递进展通讯。如图3所示，MPP系统使用专门的网络与操作系统，而及此同时，随着个人 PC 的开展，集群出现了。4.3.4 集群集群是价格低廉

30、并且方便的高性能计算方法，通过本地网络连接多台计算机来共同完成工作，集群中的计算机处于平等地位，通过相互协作完成计算。集群以较低的本钱获得计算能力大幅度的提升，使高性能计算趋于平民化。集群构造如图4所示，集群获得了计算能力成倍的提高，及之相伴的就是并行及分布式计算技术。 并行计算(Parallel Computing，或并行处理、平行计算)一般是指许多指令得以同时进展的计算模式。分布式计算(Distributed Computing)是一种把需要进展大量计算的工程数据分成小块，由多台计算机分别计算，上传运算结果后，将结果统一合并得出数据结论的计算模式。目前实现并行及分布式计算最常见的技术是PV

31、M与MPI。MPI已经成为并行计算的标准。集群的扩展毕竟是有限的，于是人们想将互联网上尽可能多的闲置计算机资源纳入到集群中来，这样就产生了网格计算技术，网格计算是分布式计算的1 种。 网格网格(Grid)这个词源于电力网格(Power Grid)。“网格及“电力网格形神相似。一方面， 计算机网纵横交织，很像电力网络；另一方面，电力网格用高压线路把分散在各地的发电站连接在一起，向用户提供源源不断的电力，用户只需插上插头、翻开开关就能用电，不需要知道电能是从哪个电站送来的，也不需要知道它是水电、火电还是核电。建立网格的目的也是一样，其最终目的是希望它能够把分布在因特网上数以亿计的计算机、存储器、贵

32、重设备、 数据库等整合起来，形成一个虚拟的、空前强大的超级计算机，以满足不断增长的计算、存储需求，并使信息世界成为一个有机的整体。网格的架构如图 5 所示：网格本质上是计算机集群，但是及集群有所不同。集群只是将多台计算机通过网络连接在一起，通过软件分工合作，来共同完成任务，然后将结果反响集中。对用户来讲，面对的好似不是多台计算机的集群，而是1台计算机。集群要提升计算能力，只能通过增加效劳器1种途径。而对于1个集群来讲，能增加的效劳器数量显然是有限的，这也就限制了集群计算能力的进一步提升，而且随着效劳器数量的增加，集群的性价比也会不断地下降。而对于网格来说，它面对的是整个因特网上的计算机，理论上

33、具有无限扩展的可能，可以虚拟出空前强大的计算机。另外，集群在执行任务时要求集群中的每台计算机都是同构的，而网格那么不需要。网格可以动态地获取限制资源并加以利用，也可以在任务完成后马上释放资源，合理使用负载，而这一点集群是做不到的。 云计算随着高性能计算技术的进一步开展，出现了“云计算技术，云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源虚拟化后进展统一管理与调度，构成1个计算资源池向用户按需提供效劳。提供资源的网络被称为“云，“云中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，按使用付费。云计算网络的架构如图6所示：网格计算与云计算看起来比拟相似，都是将网络上的资源形成1个资源池

34、，然后按需分配给使用者，很多人甚至将云计算叫做“网格2.0 ，但实际上两者在本质上是有所不同的。一般情况下，网格是针对某种具体的需求而开发出来的，用于完成特定的任务，因此会出现各种各样的网格，比方生物网格、地理网格、国家教育网格等等。网格的作用是为了获得更强大的计算能力，它将1个需要巨大计算量的任务细化成多个相互之间不关联的子任务，然后通过网格软件从纳入网格中的所有计算机资源中寻找空闲资源，将子任务分发给空闲节点进展计算。子节点在完成计算后会将结果返回进展汇总，然后再接收下个任务。假设子节点在运算过程中发生崩溃，没能及时返回结果，也不会影响整个工程的进展，其所承当的任务会被调度系统分配给其他的

35、节点继续完成。从这一方面讲，作业调度是网格的核心价值，而云计算网络是通用的，目前还没有出现以某个具体应用命名的云网络。云计算网络的目的不再是单纯追求强大的计算能力，而更像是为了按需分配资源。比方某企业在云计算网络中租用了1台虚拟效劳器，当某些特定时刻，计算量或者网络的访问量激增的时候，云计算网络会动态地增加该效劳器的计算能力与网络带宽，以满足企业的需要。当需求变小的时候，云计算网络又会动态地释放局部资源，使资源的调度总是维持在一个比拟合理的水平。企业只需要按照使用情况付费，而不需要像以前那样必须去购置能够满足最大需求的物理设备。 云计算作为一种新的高性能计算网络目前仍在开展中，上述几种高性能计

36、算方式的优缺点总结如表1所示。4.3.7 GPGPU近几年，出现了GPGPU( General Purpose GPU 通用计算图形处理器)，即使用GPU进展通用运算的技术，并由此产生了CPU + GPU的高性能计算方式。该方式下CPU专注于串行计算，而并行计算局部交由GPU 来完成。GPU 参及并行运算后，将计算机的运算能力提升了几倍到几十倍，将 PC 转变成了高性能计算机。 目前的GPU并行运算技术有2种，分别为NVIDIA公司的基于Geforce8以上显卡的 CUDA技术与AMD公司的基于ATI显卡的 Stream 技术。而 Intel公司也在开发自己的 GPGPU技术。5 高性能计算机

37、的分类依据市场对HPC机的应用需求，HPC机可以分为两大类：1效劳型容量型 普及计算型：一般的计算中心，面向各种各样用户算题需求，同时为多个用户算题效劳，系统要易得，用得起，一般不特别追求计算高效高速，也不强调一 个用户独霸全系统。 数据型：各种数据中心、效劳中心，面向大量或巨量用户的同时访问，要求 响应快、效劳好。譬如Google搜索效劳，全球有600万台效劳器构成的HPC系统来支撑效劳。音视频型：视频制作，大片点播中心，网游支持中心等。譬如，“阿凡达3D影片制作，用了一台每秒运算205万亿次的HPC机，是HP公司生产的总共万核的Cluster机。这类HPC机大量需求，市场巨大。它要求廉价易

38、得，用得起，其应用特性是同时为众多用户效劳，高性能主要表现为巨大的用户量，故可称为“容量型HPC机， 是一群小鸡共同吃一堆谷物的方式。“商用CPU商用互连网络开源软件 组成的cluster机非常适宜。(2)计算型(能力型) 该型HPC机主要应用于大规模的科技工程问题计算求解，系统可以同时支持多 个用户算题，但特别强调全系统同时为一个用户题高效便捷求解效劳。机器能力表现为如同一头大象，可扛起千斤重担。这类机器被称为“能力型HPC机，是高端HPC机,要求其大规模处理器的访存快捷、并行协同计算好、相互通信高效、 机器能耗合理、系统可靠可维。无疑这类机器需要特殊设计、制作。 这类HPC机，市场需求不大

39、，但是是高端需求，是技术制高点。能做这类机器的单位、公司全球仅少数几家。设计制作这类机器的技术途径大致有：自己设计定制专用CPU； 商用CPU自己设计定制的专用高效加速处理器，构成异构型 机； 自己设计定制的高速高效互连网络。6 高性能计算的主要技术难点与研究方向架构HPC机至今唯一技术途径是:由CPU本地存储器构成一个结点机，然后把 大量结点机互连成系统，以大规模并行计算来获得高速、高性能。并行的结点机数或称“核core,可执行计算程序的根底单元数，现已高达几十万个。HPC计算技术开展的难点均由此产生，规模越大，矛盾越突出，这可能是相伴HP终身的永恒主题。高性能计算的主要技术难点是： (1)

40、难用： 如何把一个计算问题分解为可并行协同计算的几千、几万、几十万个 小问题，即“大规模的并行算法，是个巨大的难题；计算对象数据，如何合理放置到几千、几万、几十万个结点上去，使核的计算能方便快速得到与交换数据结点间数据交换是很低效的，是相关的又一大难题，即“数据流的组织问题；人的思维及传统的程序概念是串行执行的，如此大规模的并行，程序 怎么编，所编程序如何在结点机架构不同的系统间可移植，都是很困难的，即“可编程、可移植问题。2低效：由于上述的难题难以很好解决，实际问题的有限并行度及机器大规模并行的架构不匹配，高速运算能力及访存取数很慢的不匹配，结点机高性能及结点机之间的极慢的通信传输能力不匹配

41、等等导致HPC机解算实际问题时低效， 全系统的计算能力实际能用上的只有几成，譬如30%就不错了，差的只有。当然，对特定问题、针对特定的机器架构，由高手精心设计程序，也可以获得很高的可用率，这也是HPC机的魅力所在。3高本钱：大规模，几百个大机柜，成千上万个结点机，机器价格很高，千万亿次秒的HPC机要上亿美元，而巨大的功耗兆瓦级及相应的散热冷却， 也代价高昂，年电费需上千万元，有人戏称买得起用不起。如此庞大系统，如此 高功耗高热，又会使系统稳定可靠性大为降低，有的平均只能稳定几小时，系统 维护本钱也很高。由此10年前就有人提出，高性能计算要向高效能方向努力，highperformance改为或强

42、调highproductivity。高效能就是要解决或缓解上述难题，其含 义是：提高：HPC系统的实用性能，HPC系统的可编程性，HPC系统的可靠、可信性；同时降低：HPC系统的开发及硬件本钱,HPC系统的运行本钱特别是 功耗，HPC系统的维护本钱。因此，HPC技术的主要研究方向是：1高效能并行计算机体系构造：首先是处理器的高效架构，CPU既是高性能的核心动力，也是高性能的核心根底，单片上众核已是CPU的主流方向，Intel展示过80核的单片CPU；CPU内嵌加速处理器如GPU也是成功的方向；面向计算领域的专用新型异构众核体系构造，算法及体系构造严密结合，可能是有前途的方向。2以存储为中心的体

43、系架构：访存速度的提升远落后于CPU计算速度的高速 增长即“存储墙壁垒，如何加速数据流的提供是提高HPC计算效率的核心关键。目前流行的是越来越复杂的多级Cache缓存,需要有创新思路与精巧的新设计。革命性的举措是以存储为中心来设计组织系统，让计算部件从目前的主导地位变为附属地位。但这一思想提出多年难有突破，也许专用机上有希望。3基于光的高可扩展互联网络技术：HPC内大量结点机之间的互联网络是数 据流组织及机间通信的渠道，是HPC效率发挥的关键。机间访问比结点机内部访问慢几个量级，提高互联网络的性能带宽、时延可大为提升HPC的效能，是 HPC机研制的核心技术。另一方面，光互连比电互连有许多优势，

44、目前HPC机机柜之间已普遍采用光互连。下一步是在机柜内实现光互连，进一步在板内、以至 芯片内采用光互连。这方面的研究在广泛深入展开，竞争极为剧烈。光传输中一个重大技术壁垒是交换，目前仍借助电。如能突破“全光交换技术，将是信息技术中的一次革命性的开展。4多层次低功耗控制技术：HPC的高功耗是其开展的主要障碍之一，是影响本钱、节能、系统可靠性的主要因素，降低功耗是一巨大挑战。目前接近10的顶级机功耗达10兆瓦，假设无有效技术创新，1EFLOPS即1000PFLOPS的机功耗达1000，是无法承受的。控制、降低功耗要多层次上下功夫，芯片低功耗是根底，是最重要的举措。需要工艺、体系构造两方面的创新。此

45、外控制硬件分而治之不工作的部件降功耗，休闲，软硬件结合控制分而治之编译给出部件忙闲状态，操作系统管理硬件资源也是重要技术途径。5面向体系构造的编译及优化技术：大规模并行是编译与优化的大难题，几十万、上百万个核的并行编程及优化是巨大挑战。面向体系构造，算法、体系构造、编译三结合来研究，可能是一条有效的技术途径。面向新的体系构造，创新新的编程语言、编程平台、编程与优化工具，以隐藏复杂的体系构造，方便用户使用，提高硬件应用效率，是推广机应用的重要工作。6系统可靠稳定性：巨大的规模，巨大的功耗，使HPC机可靠性大为降低， 以至不可承受。后果是大型算题经常中途夭折，得不到结果，大量浪费机器资源与人力资源

46、。如何把故障部件从系统中隔离出去，进展维修，修好再参加系统，这一全过程中仍保持系统及用户题计算持续有效运行是巨大挑战。有人已提出“连续故障即系统不断出故障，稳定工作时间很短的概念，要求此时全系统不崩溃，仍能让联机用户题有效计算下去。7 高性能计算的应用在国际高科技竞争日益剧烈的今天，高性能计算技术已成为表达一个国家综合实力的一种标志。最早高性能计算主要面向科学计算、数值计算等应用，例如：天气预报、航天飞行、地震资料处理、基因匹配及拼接研究等。在飞机制造方面，为了确保飞行的平安，飞机在飞行前必须经过大量的试验。传统的飞机设计通过风洞实验，模拟飞机在空中飞行的环境，这需要逾亿元的费用，目前我们采用

47、了高性能计算机来模拟仿真风洞实验，从而准确计算各种指标。这样不仅使飞机研发周期缩短了，而且研发费用也大幅下降。目前随着信息社会的迅猛开展，越来越多的领域都涉及到处理海量的数据。这些需求迫使高性能计算已经不只是局限在科学计算、国家高端科技上，在工业与商业领域也不断地表达其价值。例如：船舶设计、汽车制造、证券指数计算、电力平安评估、建筑工程抗震性评估、电磁辐射计算等。在大型建筑与桥梁的设计与施工过程中，设计者必须考虑到许多因素， 诸如材料承受力、天气、温度、共振等方面，而且这些因素之间是互相关联，相互作用的。我们要保证建筑与桥梁在竣工后能够平安可靠地使用，必须充分分析这些所有因素相互作用对建筑与桥

48、梁产生的所有影响，在这个分析过程中涉及到大量复杂的计算。采用高性能计算机辅助设计，在计算机中不仅计算各个因素所产生的影响，而且能够有很明显的视觉效果。这样不仅大大的提高了效率，减少了研发本钱，而且设计出来的建筑、桥梁不但满足各项平安指标，而且还美观。汽车设计方面，上海超级计算中心把基于大规模并行计算机与并行商业软件的计算资源提供应用户用于汽车碰撞模拟与汽车外形 CFD模拟，同时与专业工程咨询公司联合为汽车设计与制造厂家提供汽车设计的工程咨询效劳。满足了不同用户、不同层次的需求，对推动中国汽车自主研发起到了重要作用。例如，目前典型的汽车碰撞计算题目规模在50万到80万有限元单元。用一般的工作站计算，需要100多小时，而使用“曙光4000A的32CPU，可以在4小时内完成计算，对缩短汽车研发周期具有重大的作用。航空航天是高性能计算传统的应用领域。飞机的外形布局、构形都需要通过计算与试验的方式进展筛选、优化、评定与验证。传统的风洞试验非常昂贵，而计算机模拟可以大大减少试验次数，同时加快研制进程。航空航天设计