超级计算机的进展与评价

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摘 要：超级计算机,又称高性能计算机,是衡量一个国家综合国力的重要标志,也是国家信息化建设的根本保证.发展超级计算机,可以带动科学技术的进步,解决国民经济建设、社会发展、国防建设等方面一系列具有挑战性的问题,并促进相关产业的发展.此综述首先介绍了世界超级计算机的发展及应用情况,并从性能、应用等方面对其做出评价；其次对中国的超级计算机做了具体的认识与分析；最后根据目前超级计算机的发展及应用状况,预测了超级计算机的未来发展趋势.

关 键 词：超级计算机；高性能计算机；FLOPS；超级计算机的进展

中图分类号：TP338.4

超级计算机是一个计算机集群系统,它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起,利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题[1].衡量高性能计算机的水准主要是看其计算速度,即每秒多少次浮点操作数,符号记做FLOPS（floating-pointoperationspersecond）.随着社会和科技的发展,超级计算机在世界上已经得到了飞速的发展,并且有了广泛的应用.现就世界及中国超级计算机的一些情况,综述如下.

1世界超级计算机的进展

1.1世界超级计算机的发展情况.从上个世纪60年始,计算机就开始应用于各种商业领域,为了区别这种“通用计算机”,人们将专门针对科学计算进行优化设计的计算机被称为“高性能计算机”,或者叫超级计算机.世界超级计算机生产商有Intel、IBM、NEC、Cary等,中国有联想、曙光、浪潮等.1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台巨型计算机,其运算速度为1M-FLOPS.70年代初研制成功的STAR-100向量机,是世界上最早的向量机.人们把20世纪70年代出现的向量机看做是第一代高性能计算机.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,中国有代表性的向量机是银河一号及中科院计算所的757计算机[2].在此之后到20世纪90年代,世界超级计算机进入了其发展的鼎盛时期,其代表机型如1976年Cary公司的Cary-1；1985年Cary-2；1990年SX-3等.自20世纪90年代至今,是超级计算机的飞速发展期,其代表机型如1988年BBN公司的TC200；1992年Intel公司的Paragon；1994年IBM公司的SP2；1996年SGI公司的Origin2000等等.

世界超级计算机的排名每年进行两次,目前最新Top10的排行榜如表1.

表12009年6月世界超级计算机Top10

名次型号生产商计算速度

1RoadrunnerIBM每秒1.105千万亿次

2Jaguar–CaryXT5Cary每秒1.059千万亿次

3Jugene-BlueGene/PSolutionIBM每秒1.002千万亿次

4Pleiades-SGIAltixICE8200EXSCI每秒608.8万亿次

5BuleGene/LIBM每秒607.2万亿次

6KrakenXT5Cary每秒596.3万亿次

7BlueGene/PSolutionIBM每秒579.3万亿次

8Ranger-SunBladex6420Sun每秒557.1万亿次

9Dawn-BlueGene/PSolutionIBM每秒501.3万亿次

10JUROPA-SunConstellationDullSA每秒308.3万亿次

1.2世界超级计算机的应用.超级计算机是世界高新科技领域的战略制高点,可以广泛应用大规模科学与工程的计算,包括航空航天、装备研制、金融领域等.目前,全球90%以上的高性能计算机用作服务器,主要安装在商业、金融、通信、国防、政府等部门,用于商用计算、事务处理、数据库应用、网络服务等.这类计算机对保障金融安全、通信安全,推进尖端武器研发等具有重要作用.随着软硬件技术能力的提高,高性能计算机正日益走向普及,从通信、金融、军工、气象等大企业的高端应用逐步走向中小企事业单位的普及型应用.

1.3世界超级计算机的评价.世界超级计算机的高端科技主要集中在发达国家,如美国、日本等.他们利用其雄厚的技术力量,以广泛应用到国防、军事、商业等各行各业,并极大的促进了社会的进步,给社会带来了巨大的经济效益和经济效益.

2中国超级计算机的进展

2.1中国超级计算机的发展情况.1959年9月,中国国家科学院计算技术所成功研制出我国第一台大型通用计算机,104计算机,当时它的计算速度是每秒1万次,在我国第一颗的理论射击和研制中发挥了重要作用.从上个世纪90年始,在国家“863计划”的支持下,我国的超级计算机得到了飞速的发展,并成功研制推出多种高性能的计算机,具体情况如表2,中国超级计算机的发展年谱.2008年,联想“深腾7000”和“曙光5000A”百万次级超级计算机研制成功并进入了世界超级计算机TOP500的排行榜[3].而且曙光5000A在2008年成功跻身于世界超级计算机top10.

据2009年10月底最新消息显示,中国国防科学技术大学已研制成功我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河一号”,它的系统峰值性能达到每秒1206万亿次.有关专家认为,“天河一号”的诞生,是我国高性能计算机技术发展的又一重大突破,实现了我国自主研制超级计算机从百万亿次到千万亿次的跨越,使我国成为世界上继美国之后第二个能够研制千万亿次超级计算机系统的国家,也是第一个能够研制千万亿次超级计算机的发展中国家,具有重要的历史意义.到目前为止,中国是继美国、日本之后的第三大超级计算机的生产国.

表2中国超级计算机的发展年谱

型号面世时间每秒运算速度

104计算机1959年1万次

银河—Ⅰ1983年1亿次

曙光一号1992年6.4亿次

银河—Ⅱ1993年10亿次

银河—Ⅲ1997年130亿次

神威—Ⅰ1999年3840亿次

深腾68002003年5万亿次

曙光—4000A2004年11万亿次

神威3000A2007年18万亿次

深腾70002008年106.5万亿次

曙光—5000A2008年230万亿次

天河一号2009年10月千万亿次

2.2中国超级计算机的应用.超级计算机的广泛应用,可以给社会带来巨大的经济效益和社会效益,至今为止,我国的超级能计算机在研究与应用已取得了一些成功,它不仅广泛应用与军事国防、金融、政府、通信等领域,并也在商业、科技、生产等各种大中型企业单位得到了推广.目前已经规划的应用包括生物医药领域、科学数据库、汽车研制方面、船舶设计、石油开采领域、航天科技领域、气象预报、自然资源考察和远程教育等领域[4].

例如东方石油公司目前勘探的石油占全世界石油市场的25%,他们依靠的就是用高性能计算机进行物探计算,计算机能力上去了,业务就发展起来了,这就是生产力,从这一点上来说高性能计算机是发展先进生产力很重要的组成部分.再如中科院青岛生物能源与过程研究所利用超级计算机来研究最新的生物能源,此系统主要用于基因组、转录组、蛋白质组、代谢物组等生物学信息的高通量获取、处理、存储、注释、模拟和分析；代谢工程中代谢通量和细胞活动的分析与模拟；酶工程中蛋白质结构及其与其他分子之相互作用的解析和模拟；复杂工程反应过程和反应器的设计与模拟等.另外,超级计算机能计算航空航天工业中的数字风洞,可以减少实验次数,缩短研制周期,节约研制费用；利用超级计算机做气象预报和气候模拟,对厄尔尼诺现象及灾害性天气进行预警,例如国庆60周年期间,国家气象局利用国产高性能计算机,对北京地区进行了集合预报、中尺度预报和短期天气预报,取得了良好的预报结果；此外,在生物医药、生物信息学、船舶设计、汽车设计和碰撞模拟以及三峡工程施工管理和质量控制等领域都有高性能计算机成功应用的实例.

总得说来,中国的超级计算机的应用还有待进一步的推广,以便给国家和社会带来更大的社会效益和经济效益.

2.3中国超级计算机的评价.在超级计算机领域,我国与世界先进水平还有相当大的差距.这主要表现在：（1）迄今为止,进入世界500强排行榜的国产超级计算机总数只有区区10台,而且这些计算机主要是靠五年一期的国家科技计划支持研制的,没有形成持续均衡发展的态势；（2）国产高性能计算机应用面还不够广泛,目前主要应用在科学工程计算领域,金融等领域,而且超级计算机所需的高端服务器和大型机主要从国外进口,这不仅花费国家巨额资金,而且难以保证数据和信息的安全性；（3）国产高性能计算机产业规模和国内市场份额还很小,与我国的国际经济地位相比,显得有些不平衡；（4）我国高性能计算机的关键元器件,特别是处理器芯片目前仍依赖国外厂商[5].

3超级计算机的发展趋势预测

随着社会的进步与发展,超级计算机将会有更大突破.我国制定的一系列超级计算机发展战略,如加大了人才的培养力度等,相信我国超级计算机的发展会在机遇和挑战中获得更大的进步,力争赶上并超过发达国家.就超级计算机的未来发展趋势来看,在性能方面,超级计算机将会朝着低耗能、低成本的方向发展；在应用方面,超级计算机将会逐步渗透到中小企业领域,从而极大地促进经济的发展和社会的进步.

4结语

超级计算机的研制是一项非常复杂的、系统性的工程,提高超级计算机的性能还有许多关键问题有待解决.比如,超级计算机的数据吞吐能力以及高效率工作的问题等等.尽管我国已经能够制造几百万亿次级的高性能计算机,但是超级计算机的整体水平与美国、日本和欧洲发达国家相比,仍有较大的差距[6].因此进一步发展和提高我超级计算机的水平及应用任重而道远.