淺談超級計(jì)算機(jī)及其發(fā)展

夏江婷

摘 要：隨著神威太湖之光登上世界超算之巔，我國的超級計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)再次大放異光，超級計(jì)算機(jī)作為信息化發(fā)展的重要載體，對科學(xué)發(fā)展，國防建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有極為重要的作用。而且它對氣候，生命科學(xué)，航天等領(lǐng)域都有很強(qiáng)的推動(dòng)作用。我國的超級計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯片自主研制。目前超算基本采用多運(yùn)算機(jī)柜和多網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)算。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，超級計(jì)算機(jī)將會(huì)配合云計(jì)算等發(fā)揮其重要作用。

關(guān)鍵詞：超級計(jì)算機(jī)；神威太湖之光；大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP387 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）24-0024-02

1 超級計(jì)算機(jī)簡介

1.1 超級計(jì)算機(jī)簡介

超級計(jì)算機(jī)是指相對于我們的個(gè)人計(jì)算機(jī)而言，它可以進(jìn)行極高速度的運(yùn)算和巨大量的數(shù)據(jù)資料處理，它的基本組成與個(gè)人計(jì)算機(jī)沒有很大差別，但規(guī)格上大了許多倍，其特點(diǎn)是高速度和大容量。從硬件上來說，它配備豐富的外部接口設(shè)備，從軟件上說，它的軟件系統(tǒng)極為豐富而且功能強(qiáng)大。衡量高性能計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)主要是看其計(jì)算速度，即每秒多少次浮點(diǎn)操作數(shù)。現(xiàn)有的超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度大都可以達(dá)到每秒一太（Trillion，萬億）次以上。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代即將來臨，云儲(chǔ)存和云計(jì)算的發(fā)展也日新月異，而超級計(jì)算機(jī)的高速度和大容量正好契合大數(shù)據(jù)技術(shù)所需的條件，因此，在未來的發(fā)展中，大數(shù)據(jù)技術(shù)將會(huì)和超級計(jì)算機(jī)相互促進(jìn)，共同發(fā)展，其前景十分開闊。不僅如此，超級計(jì)算機(jī)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也非常泛，如氣候環(huán)境，醫(yī)療，國防等。超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平可以作為一個(gè)國家信息化發(fā)展的衡量標(biāo)準(zhǔn)，它也是綜合國力的一個(gè)標(biāo)志。

1.2 超級計(jì)算機(jī)發(fā)展背景

超級計(jì)算機(jī)是1929年《紐約世界報(bào)》中最先報(bào)道出的一個(gè)名詞，它是將大量的處理器集中在一起以處理龐大的數(shù)據(jù)量，同時(shí)運(yùn)算速度比常規(guī)計(jì)算機(jī)快許多倍。但是從結(jié)構(gòu)上看，超級計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)都是大同小異的，而這種并行化處理使得人們可以對龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而影響到各個(gè)行業(yè)運(yùn)行，其意義十分重大，1976年美國克雷公司推出了世界上首臺(tái)運(yùn)算速度達(dá)每秒2.5億次的超級計(jì)算機(jī)，突出表現(xiàn)一國科技實(shí)力的超級計(jì)算機(jī)，堪稱集萬千寵愛于一身的高科技寵兒，在諸如天氣預(yù)報(bào)、生命科學(xué)的基因分析、核業(yè)、軍事、航天等高科技領(lǐng)域大展身手，讓各國科技精英競折腰，各國都在著手研發(fā)億億級超級計(jì)算機(jī)。

一般來說，超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度平均每秒1000萬次以上；存貯容量在1000萬位以上。如美國的ILLIAC-Ⅳ，日本的NEC，歐洲的尤金，中國的“銀河”計(jì)算機(jī)，就屬于巨型計(jì)算機(jī)。巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是電子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。它的研制水平標(biāo)志著一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的程度，體現(xiàn)著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)力。一些發(fā)達(dá)國家正在投入大量資金和人力、物力，研制運(yùn)算速度達(dá)幾百萬億次的超級大型計(jì)算機(jī)。

自2009年我國國防科技大學(xué)發(fā)布峰值性能為每秒1.206千萬億次的“天河一號(hào)”超級計(jì)算機(jī)，我國成為美國之后第二個(gè)可以獨(dú)立研制千萬億次超級計(jì)算機(jī)的國家。尤其2016年神威太湖之光的出現(xiàn)，更是標(biāo)志我國進(jìn)入超算世界領(lǐng)先地位。超級計(jì)算機(jī)可以代表一個(gè)國家在信息數(shù)據(jù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力，甚至可以說影響到國家在世界科學(xué)技術(shù)上的地位，不僅如此，超級計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也相當(dāng)可觀，在大數(shù)據(jù)時(shí)代即將到來之際，超級計(jì)算機(jī)更是擔(dān)負(fù)著巨大責(zé)任。因此對超級計(jì)算機(jī)的研究是非常有必要的，非常關(guān)鍵的。

2 超級計(jì)算機(jī)技術(shù)

2.1 天河一號(hào)

天河一號(hào)是我國第一個(gè)走向世界領(lǐng)先地位的超級計(jì)算機(jī)，在結(jié)構(gòu)上采用CPU和PU相融合的架構(gòu)體系，在處理器方面采用飛騰處理器和因特爾處理器。此外還有服務(wù)陣列和存儲(chǔ)陣列。從軟件上說，它主要包含程序開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)。此外還包括編譯系統(tǒng)。

天河一號(hào)超級計(jì)算機(jī)大部分部件是我國自主研發(fā)的，其性能和能耗都達(dá)到了世界領(lǐng)先水準(zhǔn)，另外它還提供基于隔離的用戶安全工作環(huán)境；提供統(tǒng)一的全系統(tǒng)資源管理視圖，友好的系統(tǒng)管理使用界面，一體化的并行應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境和虛擬的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境。

系統(tǒng)容錯(cuò)性能是評價(jià)超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。在“天河一號(hào)”軟硬件規(guī)劃中，專門設(shè)計(jì)了監(jiān)控診斷子系統(tǒng)，采用分布式集中管理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測、系統(tǒng)控制和調(diào)試診斷等功能。另外還建立了多層容錯(cuò)技術(shù)，通過操作系統(tǒng)的檢查點(diǎn)功能、資源管理的任務(wù)級和作業(yè)級容錯(cuò)技術(shù)，以及容錯(cuò)并行算法和斷點(diǎn)續(xù)算功能，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 神威太湖之光

神威太湖之光系統(tǒng)的全部核心部件都實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，在2016年的世界超算排名中運(yùn)算速度位列第一，而且其功耗比也位列第一。它所使用的中央處理器是上海高性能集成電路設(shè)計(jì)中心自主研制的芯片申威26010。由四個(gè)核心組構(gòu)而成，采用28納米工藝，主頻率1.45GHZ，此核心組的主要功能是計(jì)算，整個(gè)芯片共有260個(gè)核心。

神威太湖之光的冷卻系統(tǒng)采用定制化液體水冷單元和全封閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)，它為高速度的運(yùn)算提供良好的運(yùn)行環(huán)境，在整個(gè)系統(tǒng)中起到相當(dāng)重要的作用。就操作系統(tǒng)而言，神威太湖之光采用的是國產(chǎn)化的神威睿思操作系統(tǒng)，并且針對多核處理器配備了豐富的編譯工具，基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫和自動(dòng)化量化工具。神威太湖之光共有40個(gè)機(jī)柜，機(jī)柜下面按照樹狀結(jié)構(gòu)分為超級節(jié)點(diǎn)板和節(jié)點(diǎn)卡，每個(gè)上面都裝有內(nèi)存。

3 超級計(jì)算機(jī)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

超級計(jì)算機(jī)目前已經(jīng)在各行業(yè)進(jìn)行了一定應(yīng)用，如圖1所示，我們重點(diǎn)對天梯物理，氣象及生物醫(yī)療方面做簡單介紹。

3.1 天體物理方面應(yīng)用

一般在天體物理的研究中需要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算模擬以及演化，在這個(gè)條件下，超級計(jì)算機(jī)可以很好發(fā)揮它的優(yōu)勢，目前已經(jīng)有應(yīng)用較為成功的例子。日本東京大學(xué)的研究人員進(jìn)行黑洞模擬。在其模型中，銀河系包含786432個(gè)等質(zhì)量的恒星，黑洞用占整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量1%的三個(gè)質(zhì)點(diǎn)建模。美國密歇根大學(xué)的研究人員采用BATS-R-U程序?qū)μ栵L(fēng)、磁氣圈以及冠狀物質(zhì)噴射的效應(yīng)進(jìn)行模擬，求解非相對論的、可壓縮的等離子體方程（結(jié)合了歐拉氣動(dòng)方程和麥克斯韋電磁方程組）。隨著人們對宇宙研究的深入，超級計(jì)算機(jī)將會(huì)在天體物理方面運(yùn)用更廣。endprint

3.2 氣象方面應(yīng)用

氣象方面是超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用的經(jīng)典領(lǐng)域，尤其是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和海洋動(dòng)力學(xué)中間。如美國加利福尼亞大學(xué)用超級計(jì)算機(jī)模擬厄爾尼諾現(xiàn)象十周年，取得了大量有用的信息。美國加州工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室地球與空間科學(xué)分部對一個(gè)海洋環(huán)流模型程序進(jìn)行測試，運(yùn)行效率是單處理器時(shí)250倍左右。氣候問題一般涵蓋大量數(shù)據(jù)處理及分析，這正是超級計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢所在。

3.3 生物醫(yī)學(xué)方面

生物信息學(xué)成為超級計(jì)算新的應(yīng)用領(lǐng)域，如人類基因組測序過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)處理就離不開超級計(jì)算機(jī)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用超級計(jì)算機(jī)來模擬人體各個(gè)器官的工作機(jī)理及人體內(nèi)各種生化反應(yīng)等。該領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例有： 美國杜克大學(xué)利用計(jì)算機(jī)模擬心臟中的波陣面?zhèn)鲗?dǎo)。隨著仿生學(xué)和人工智能的發(fā)展，超級計(jì)算機(jī)在生物醫(yī)學(xué)方面將會(huì)應(yīng)用更廣。

除此之外，超級計(jì)算機(jī)還是世界高新科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用大規(guī)模科學(xué)與工程的計(jì)算，包括航空航天、裝備研制、金融領(lǐng)域等。目前全球以上的高性能計(jì)算機(jī)用作服務(wù)器，主要安裝在商業(yè)、金融、通信、國防、政府等部門用于商用計(jì)算、事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。這類計(jì)算機(jī)對保障金融安全、通信安全，推進(jìn)尖端武器研發(fā)等具有重要作用隨著軟硬件技術(shù)能力的提高，高性能計(jì)算機(jī)正日益走向普及，從通信金融。軍工、氣象等大企業(yè)高端應(yīng)用逐步走向中小企事業(yè)單位的普及型應(yīng)用世界超級計(jì)算機(jī)的評價(jià)。世界超級計(jì)算機(jī)的高端科技主要集中在發(fā)達(dá)國家，如美國、日本等。他們利用其雄厚的技術(shù)力量，以廣泛應(yīng)用到國防軍事、商業(yè)等各行各業(yè)，并極大的促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步，給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 超級計(jì)算機(jī)存在的問題

現(xiàn)行的超級計(jì)算機(jī)雖然已經(jīng)取得了很大成就，但仍然顯現(xiàn)出許多問題，比如體積非常大，不易移動(dòng)式操作，另外從結(jié)構(gòu)上去考慮，它的工作方式仍然較為傳統(tǒng)，沒有突出的創(chuàng)新點(diǎn)，并行處理的方式雖然可以解決大數(shù)據(jù)運(yùn)算的問題，但其本身不夠靈活，運(yùn)算較為笨重，我們希望在未來的發(fā)展中，可以改進(jìn)超級計(jì)算機(jī)的核心架構(gòu)和工作方式，從而解決現(xiàn)行并行處理帶來的一系列弊端，當(dāng)然這個(gè)過程是相當(dāng)困難的。另一方面，雖然神威太湖之光超級計(jì)算機(jī)的能耗已經(jīng)是同類計(jì)算機(jī)中很低的了，但實(shí)際上，它所耗費(fèi)的能源仍然是相當(dāng)巨大的，我們?nèi)绻獜V泛利用超級計(jì)算機(jī)來配合大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，那么我們還必須考慮到能耗降低的問題。

5 超級計(jì)算機(jī)發(fā)展前景

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，超級計(jì)算機(jī)將會(huì)在未來信息化發(fā)展中大放光彩，首先是它和云計(jì)算，云儲(chǔ)存聯(lián)系在一起，為大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展提供保障。未來超級計(jì)算機(jī)很可能會(huì)發(fā)展為共享服務(wù)器云計(jì)算的形式，發(fā)揮它極強(qiáng)運(yùn)算速度和大批量數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢。另一方面，超級計(jì)算機(jī)本身的架構(gòu)和組件方式可能也會(huì)有很大改變，尤其體現(xiàn)在體積的縮小，運(yùn)行的輕量化，成本的縮小化。未來它將不僅僅是作為國家戰(zhàn)略的一種存在，而且會(huì)涉入商業(yè)領(lǐng)域，如此會(huì)更加刺激它的發(fā)展。

超級計(jì)算機(jī)作為一個(gè)國家信息化的一種重要體現(xiàn)，首先將會(huì)在國防科技，工業(yè)化，航天衛(wèi)星等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其次它會(huì)在諸如氣象，物理，探測等領(lǐng)域顯現(xiàn)出它的優(yōu)勢。依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高速的運(yùn)算能力，未來的超級計(jì)算機(jī)將會(huì)是大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要工具。而且會(huì)進(jìn)一步普及到我們的具體生活中來，為我們的社會(huì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王握文，陳明."天河一號(hào)"超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制[J].國防科技，2009，30（6）：1-4.

[2]鐘焱.超級計(jì)算機(jī)的進(jìn)展與評價(jià)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用， 2013，（21）：82-83.

[3]車永剛，柳佳，王正華，李曉梅.超級計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2003，25（6）：97-100.

[4]王濤.“神威太湖之光”超級計(jì)算機(jī)[J].科學(xué)，2016，（4）：5.endprint