超級計算走向桌面

計算機硬件性能在摩爾定律的推動下越來越強大，這促使高性能計算機（HPC）也在發生著改變，那些位于數據中心的體積龐大的高性能計算機運算速率已經跨過了每秒千萬億次的門檻，而另一些計算能力在千億次甚至萬億次、但體積小巧的高性能計算機則走上了桌面，其應用領域也日漸擴展。

高性能計算（HPC）離不開超級計算機。在一些大學和研究機構的實驗室里，我們常能見到外形巨大的大型機器，它們幾乎占滿了機房。盡管在未來這些超級系統絕不會消失，但我們同時也看到，往日一直由超級計算機來處理的一些應用正在走向桌面。

究其原因，分析人士認為，在一臺標準PC上，8年前大約需要花1小時才能處理的任務，現在只要6秒鐘就能完成，因為桌面計算機的處理能力、圖形處理器（GPU）的性能、網絡帶寬和固態硬盤速度等都已經有了大幅提升，加上64位的吞吐量，這些改進已使桌面計算機越來越適合處理大規模計算項目。

正是由于這些進步，向“桌面端超級計算機”轉變的步伐已經邁出。眼下，地震模擬、核武器儲備模擬和DNA研究仍然還在傳統的超級計算機上進行，但隨著處理器在今后10年間向多核技術發展，可想而知，以上這些應用（或部分應用）都會進入到桌面端。

麻醉劑藥效的追蹤

盡管現今醫生們知道如何開麻醉劑，也知道其藥效，但并不知道病人被麻醉入睡后，這些藥的分子在起什么作用。這種分析需要強大的計算能力，要既能查看麻醉劑何時進入呼吸系統，還能查看如何開始發揮藥效。

為了解決這一問題，美國天普大學（Temple University）的研究人員研制出了相關的模型，可測試出對神經細胞中的分子實施麻醉后出現的后果。目前，該模型正在超級計算機上運行，不過，他們計劃將在有4個節點的NVIDIA（英偉達）GPU集群上進行運算。這不但可以省錢，還能讓研究人員有更大的靈活性，他們可以在做好準備工作的時候進行測試，而沒必要非要在事先安排好的時間段里才能使用超級計算機進行測試。在這種應用需求下，每個GPU都擁有一個小型HPC集群的計算能力。GPU運算所涉及的數學運算其規模相當于通常用來為渲染視頻游戲像素的運算。

項目研究人員Axel Kohlmeyer博士表示，想弄明白這種模擬，最好的辦法就是想像一只盒子里面塞滿了橡皮球，每個球的尺寸略有不同，運動速度也略有不同。它們之間相互用彈簧連起來，而這些彈簧的強度也不一樣，使得有些球的運動速度比較快，而有些較慢，反應不一樣。Axel Kohlmeyer可以在模擬中跟蹤所有分子的活動，看看麻醉藥在人體中的效果。

Axel Kohlmeyer說：“分子會形成粒子團，它們的運動方向由相互聯系的數量來決定。”他解釋說，模擬已經發展到了相互之間的聯系均衡的階段。溫度的變化會引起振動，使分子出現新的活動。“計算模型難就難在需要成千上萬錯綜復雜的相互聯系。我們不僅想知道某些點之間的相互聯系，而且還想知道以后會如何慢慢變化。”他補充說，另一個難題就是不得不經常重復運算。

對Axel Kohlmeyer來說，模擬的目的在于發現人體中到底何時出現什么感覺都沒有的情況，而弄清楚了這點，就有望研制出新型的麻醉藥，或幫助醫生查明為什么手術后會出現記憶力減退之類的問題。

手術模擬

美國俄亥俄州哥倫布市俄亥俄超級計算中心（OSC）的研究人員發現，不是每項模擬都需要傳統的超級計算機。OSC主任兼生物醫學應用部門的接口實驗室研究科學家Don Stredney發現了超級計算機通常存在的一個局限性：批處理進程是靜態的，只能在預定的時間段運行。它們無法提供實時的相互聯系，所以無法模擬真實的外科手術。他表示，成本在6000美元到10000美元的桌面工作站使他的團隊可進行手術模擬，實時顯示外科手術是如何改變病人身體結構的。

Don Stredney表示，他所在的行業得益于計算機游戲領域的創新，因為普通的消費級GPU的功能已經變得極其強大，只要極低的成本就能得到非常逼真的效果。該領域的研究人員使用普通PC運行標準的GPU，比如來自AMD公司ATI部門和NVIDIA公司的GPU，但不是高端GPU集群。不過他們發現，當一些模擬中的數據集變得太大時，就需要重新使用超級計算機運算。Don Stredney表示，當出現數據集急劇變得非常龐大，或每一幅圖像都有數GB大小，以及數據采集時通常為0.5TB大小的多尺度數據集這些情況時，他的團隊會重新使用超級計算機。他表示，實時視覺和聽覺模擬需要越來越大的數據集和復雜的相互聯系，因而需要更高端的系統。

汽車設計

Autodesk公司汽車部門的Ed Martin經理表示，注塑模擬對汽車廠商來說很重要。注塑是指利用塑料材料制作零部件的一種工藝。模擬可顯示注塑模（比如保險杠）會不會引起痕陷，注塑模與汽車其他零部件的配合度如何，模擬還能暴露出任何瑕疵。設計師要考慮許多變量，如注塑模溫度、幾何形狀以及注塑工藝與某些材料的適合程度等。Ed Martin解釋說，單單防護板的一個物理原型造價就超過100萬美元，所以模擬越準確，需要制造的原型數量就越少，因而生產成本就越低。

Ed Martin說：“模擬過去需要安裝大量的集群計算系統，但我們現在用當前的桌面計算機就能獲得同樣強的能力。”他表示，在這方面起到最大作用的桌面領域的一些進步包括：采用多核處理器、使用多個GPU以及64位吞吐量。Ed Martin使用的就是可以從沃爾瑪買到的標準桌面計算機，它們配備了兼容3D的最新GPU和英特爾雙核處理器。

汽車行業還使用桌面軟件來為汽車設計制作模型。借助這類工具，汽車廠商就能制作出復雜的透視圖，效果可與一流視頻游戲中的圖形相媲美，甚至更出色。值得關注的是，當這些模型在桌面PC上制作完畢后，常常可以用于營銷資料和電視廣告中。Ed Martin表示，完全可以將超級計算機上制作的模型傳輸到PC上，但如今PC之間傳輸文件來得更簡單，因為文件格式在各應用程序之間是兼容的，如果通過標準網絡來進行傳輸，則有可能將圖形傳送給數量更多的用戶。

舉一個在桌面上制作模型的例子。設計師常常建立車漆模型，認真觀察金屬片以及它們在某些塑料上的外觀，或者觀察車漆在某些光照條件下會不會顯得沒有光澤。模型越準確，它們的制作工藝就越集中。過去，因為車漆中使用的高分子材料大約有8000種，因此，高性能計算環境必不可少，Ed Martin表示，如今桌面系統就能勝任這種高速處理任務。

基于Web的計算搜索

HPC走向桌面最值得關注的途徑之一就是經由Web。眼下這方面的最佳例子就是WolframAlpha網站，按該網站自己的話來說，就是互聯網上的這個“計算知識引擎”旨在“收集和保存所有客觀數據，能夠計算可以計算的任何對象。”

這方面的巨大變化在于，雖然在WolframAlpha.com上進行的搜索還是在超級計算機上進行的，但搜索結果幾乎可以馬上返回到瀏覽器中。比如說，鍵入“moon”這個簡單的字后，其系統就會開始一系列復雜的計算，計算月球相對地球的軌道以及一段歷史時期內的平均距離。

沃爾夫勒姆研究公司（Wolfram Research Inc）的架構師Schoeller Porter表示，之所以能近乎實時地進行運算，那是由于HPC部件的成本降低了。在過去，這種復雜運算需要向超級計算機請求運行批處理任務，請求占用幾分鐘、幾小時甚至一天的處理時間。這倒未必是由于運算本身需要很長時間，而是由于處理資源極其昂貴。

你不妨親自試一下，往WolframAlpha搜索引擎中輸入一些運算請求，比如詢問6個月后檀香山的潮汐（tides in honolulu in 6 months），還可以輸入類似以下一些運算請求：International space station jun 24（國際空間站，6月24日）；skychart Timbuktu yesterday at 8:00pm（Timbuktu昨晚8點的星空圖）；y'' + sin y = x（數學表達式）；GATTAACCC（基因組序列）等。

在WolframAlpha上進行搜索時，可以在桌面上隨意改變任何一個變量。你會注意到，一些查詢所花的時間比另一些查詢來得長，這取決于超級計算機需要多久才能確定結果。

雖然谷歌搜索也依賴后端的超級計算機或集群，但它們所用的計算算法與WolframAlpha不一樣。谷歌搜索信息后提供相關鏈接，WolframAlpha提供給用戶的是實際信息，而不是鏈接，這些信息可能是從知識庫獲取的，也可能是由它執行的運算生成的。

天氣預報

英特爾公司高性能計算軟件解決方案部門主管Bill Magro表示，天氣預報在過去的20年經歷了重大變化，從原來的僅僅提供天氣模式的概況變成翔實資料的顯示，比如每個風暴中心的詳細資料。之所以發生這種變化，主要是由于天氣預報所需的龐大數據集現在可以放在桌面計算機的存儲器中，其處理能力也有了突飛猛進。現在用于氣象的部分天氣模擬可以在地方電視臺的桌面計算機上進行，而不是只能在監測天氣的政府機構里才能進行。

天氣預報的建模極其復雜，因為天氣在開放的3D空間不斷變化，在溫度、位置、風力及其他因素方面有成千上萬個變量。天氣模型取一個空間范圍，比如5000米的網格，一個數據點代表每個方向的每5000米，然后把它縮小到1000米，之后再縮小到500米。Bill Magro解釋說：“因為從三個維度來縮小，計算要求則提高了8倍。不僅僅數據更多了，所建立的模型也更詳細了。這其實說到底就是需要擁有足夠的內存和足夠的計算能力。”

桌面計算機已經開始用于一些地方電視臺的天氣模擬。未來，隨著處理器技術的進一步發展，我們可以在PC上運行所有詳細的個人天氣預報。Bill Magro表示，到那時，個人可以使用桌面計算機來查看鄰近地區的天氣模式，或者根據遇到的天氣狀況和輸入到模型中的天氣狀況，預測6個月后你想去的度假地的天氣情況。

更多應用緊隨而來

美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的高性能計算執行董事David Bader展望未來認為，在接下來的10年里，HPC的另外幾種應用會出現在桌面端。

David Bader表示，現在有望發現社會網絡當中出現的新趨勢，或確認影響社會網絡的關鍵因素。可以給出相應的建議措施，以改善諸多社會行為的能源效率，比如確定合理交通路線，以免堵塞；安排好計算機應用的運行時間，以便盡量減少能耗；監測智能電網等。其他發展前景，包括利用大量的公共照片來構建3D場景，利用發言人的身份證件實時記錄電視電話會議的文字內容。

雖然專家們一致認為，特大型超級計算機將在今后存在一段時間，但另外哪些傳統的HPC應用最終會出現在桌面端，很值得期待。

鏈接

桌面端的特效

雖然電影行業仍然依賴傳統的高性能計算機來制作特效，但好萊塢在很早之前就采用64位工作站把制作特效的一部分工作轉移到了桌面上。

電影《2012》和《阿凡達》等影片中的特效通常需要異常強大的處理能力，明眼人一看就知道，由計算機生成（以及消費級軟件制作）的動畫瀑布與真實的瀑布有著明顯區別。工業光魔（Industrial Light and Magic）、Uncharted Territory工作室和夢工廠等電影公司依賴龐大的計算集群和多臺服務器來制作特效，單單制作一幀視頻就要花好幾個小時。

計算機成像（CGI）特效需要強大的計算能力。運用技術讓光均勻地照射到物體上，然后一起移動，僅僅在一個鏡頭中，屏幕上同時就有數百萬個像素。Autodesk公司電影和電視行業經理Bruno Sargeant表示，著色器模型也起到了幫助作用，它相當于像素的催化劑，使用數學算法讓像素的移動顯得更逼真。

但高端工作站已經開始發揮作用。Adobe和Autodesk這兩家公司都一馬當先，讓桌面計算機也能處理好CGI特效，而不需要龐大的多臺服務器或集群。前者擁有64位Mercury渲染引擎，而后者一款名為Smoke的專業軟件將在今年11月中旬向Mac Pro計算機推出。Bruno Sargeant表示，速度快得多的總線、多核處理器、固態硬盤和GPU加速，這些已經萬事俱備。

瑞典業務開發咨詢公司Artair Group的分析師Bjorn Andersson說：“電影特效領域的競爭極其激烈。一些電影的成功依賴它們首次使用了哪種開拓性、突破性的特效。這反過來依賴兩個因素：一是能使用多強大的原始計算能力？二是開發新的軟件功能。”