論現(xiàn)狀及發(fā)展論我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)遇到的問(wèn)題.doc

1、論現(xiàn)狀及發(fā)展論我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)遇到的問(wèn)題摘要：高性能計(jì)算機(jī)與我們生活息息相關(guān)，文章總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并總結(jié)了我國(guó)目前發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)面臨的問(wèn)題，最后作者提出了對(duì)如何解決這些問(wèn)題的看法。關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算機(jī)；計(jì)算速度；高端計(jì)算 高性能計(jì)算機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，是國(guó)家信息化建設(shè)的根本保證。發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)，可以帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展進(jìn)步、國(guó)防建設(shè)與國(guó)家安全等方面一系列的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。1 高性能計(jì)算機(jī)與大眾生活息息相關(guān)高性能計(jì)算機(jī)一般都和科學(xué)研究聯(lián)系在一起， 小到原子結(jié)構(gòu)的分析，大到宇宙起源模擬，到

2、處都需要高性能計(jì)算機(jī)。但是，高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用決不僅限于此。在和人民大眾生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，我們都可以看到高性能計(jì)算機(jī)的身影：1.1 對(duì)新藥研制的促進(jìn)。在與疾病作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，我們需要新的藥品。研制一種新藥從化合物篩選到臨床試驗(yàn)，一般需要1O到15年的時(shí)間。在化合物篩選階段，對(duì)于數(shù)十萬(wàn)種化合物，用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，篩選出有效的化合物需要花費(fèi)大量資金購(gòu)買(mǎi)化合物，需要幾年的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且篩選的范圍受到金錢(qián)和時(shí)間限制，難以得到最佳的結(jié)果?，F(xiàn)在使用高性能計(jì)算機(jī)這個(gè)工具，以計(jì)算機(jī)模擬的手段，科學(xué)家可以在較短的時(shí)間內(nèi)從幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)種化合物中篩選出有效的藥物化合物，這不僅節(jié)省了購(gòu)買(mǎi)真實(shí)化合物的大量資金

3、，而且大大縮短了藥物研發(fā)的周期。1.2 對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的影響。在網(wǎng)絡(luò)日益普及的今天，我們已經(jīng)漸漸習(xí)慣于從網(wǎng)上獲得信息和服務(wù)，但是同時(shí)也經(jīng)常為服務(wù)響應(yīng)速度的遲緩而煩惱。要面對(duì)數(shù)千萬(wàn)、數(shù)億用戶(hù)的訪問(wèn)請(qǐng)求，服務(wù)器必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力。這又是高性能計(jì)算機(jī)發(fā)揮作用的舞臺(tái)。高性能服務(wù)器每秒種可以處理數(shù)千萬(wàn)乃至數(shù)億次服務(wù)請(qǐng)求，及時(shí)提供用戶(hù)所需要的信息和服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量。1.3 對(duì)制造業(yè)的推動(dòng)。我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，高性能計(jì)算在制造業(yè)的廣泛使用，不僅可以幫助工程師在設(shè)計(jì)階段更科學(xué)地計(jì)算材料強(qiáng)度，更合理地選擇和使用材料，設(shè)計(jì)出更符合空氣和流體動(dòng)力學(xué)原理和人體工程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形，而且可以在仿真基礎(chǔ)上

4、全面規(guī)劃整個(gè)制造過(guò)程，有效提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量和產(chǎn)量。高性能計(jì)算的全數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、節(jié)能降耗、降低污染、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面的作用不可限量。2 國(guó)內(nèi)外高端計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀2.1 國(guó)內(nèi)高端計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制開(kāi)始于20世紀(jì)70年代中后期，大體經(jīng)歷了3個(gè)主要發(fā)展階段：第一階段從70年代中后期到80年代中期，主要以研制大型向量系統(tǒng)為主(以銀河I為代表)；第二階段從80年代中后期到90年代末，主要以研制大規(guī)模并行系統(tǒng)為主(以神威I為代表)；第三階段從90年代中期起，主要以研制大規(guī)模機(jī)群系統(tǒng)為主(以曙光機(jī)為代表)。目前，參與高端計(jì)算機(jī)研制的單位已經(jīng)從科研院所發(fā)展到企業(yè)界。進(jìn)入新

5、世紀(jì)，隨著研制高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的諸多關(guān)鍵技術(shù)被攻克(尤其是機(jī)群技術(shù))，我國(guó)自行研制的高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已開(kāi)始形成自己的品牌系列和一定的市場(chǎng)規(guī)模，其發(fā)展呈現(xiàn)星火燎原之勢(shì)頭。近兩年，隨著“神威”、“銀河”、“曙光”、“深騰”、“天梭”等一批知名產(chǎn)品的出現(xiàn)，使我國(guó)成為繼美、日之后第三個(gè)具備高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制能力的國(guó)家，被譽(yù)為世界未來(lái)高端計(jì)算市場(chǎng)的“第三股力量”。根據(jù)中國(guó)軟件行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)學(xué)軟件分會(huì)20_3年11月份公開(kāi)發(fā)布的20_3年中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)TOP100排行榜最新統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總計(jì)算能力在19.56TF/s峰值左右。2.2 國(guó)外高端計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀21世紀(jì)，高端計(jì)算技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)技

6、術(shù)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)家安全和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。以美國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)。根據(jù)全球?qū)嵱贸?jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)最新排行榜的統(tǒng)計(jì)分析，目前國(guó)際上已經(jīng)有242臺(tái)系統(tǒng)的Linpack實(shí)測(cè)性能超過(guò)1萬(wàn)億次/秒(20_3年12月前只有131臺(tái))；500強(qiáng)系統(tǒng)的總性能為813TF/(20_3年12月前為528TF/s)；排行榜中“最慢”系統(tǒng)(第500臺(tái)機(jī)器)的速度為624GF/s(20_3年12月前為40314GF/s)；現(xiàn)在500強(qiáng)系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)是Cluster，Constellations和MPP三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。所有系統(tǒng)分布

7、在世界上35個(gè)國(guó)家和地區(qū)，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家占了80%的計(jì)算資源，其中僅美國(guó)就安裝了255臺(tái)，占總性能的56%；并且500臺(tái)系統(tǒng)中的91%是由美國(guó)制造的，所有這些數(shù)據(jù)均表明美國(guó)在高端計(jì)算機(jī)的使用和生產(chǎn)方面仍然保持著絕對(duì)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。3 高端計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外高端計(jì)算系統(tǒng)今后的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)是計(jì)算速度為十萬(wàn)億次/秒左右的系統(tǒng)，中期目標(biāo)是百萬(wàn)億次秒，長(zhǎng)期目標(biāo)是千萬(wàn)億次/秒甚至更高。未來(lái)國(guó)際高端計(jì)算的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：3.1 超級(jí)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)格計(jì)算2種實(shí)現(xiàn)形態(tài)共存高端計(jì)算應(yīng)用的多樣性導(dǎo)致了高端計(jì)算實(shí)現(xiàn)形態(tài)的多樣性。居高端計(jì)算霸主地位的美國(guó)不斷加大投入，研制面向科學(xué)研究應(yīng)用的尖端超級(jí)計(jì)算機(jī)；受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛

8、發(fā)展的推動(dòng)，網(wǎng)格計(jì)算作為無(wú)縫集成的協(xié)同計(jì)算環(huán)境，又稱(chēng)虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，會(huì)得到進(jìn)一步重視。目前，美、日等國(guó)政府和研究單位在這兩方向都有相應(yīng)的資金投入和具體規(guī)劃。未來(lái)高端計(jì)算系統(tǒng)一定是網(wǎng)格中的重要計(jì)算資源，它需要適應(yīng)網(wǎng)格環(huán)境的計(jì)算模式、編程型、開(kāi)發(fā)運(yùn)行和管理系統(tǒng)等；網(wǎng)格技術(shù)也將是未獲取高端計(jì)算能力的優(yōu)良環(huán)境，二者將互為補(bǔ)充。 3.2 從高性能計(jì)算走向高效能計(jì)算隨著高性能計(jì)算向高效能服務(wù)轉(zhuǎn)變，超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)追求的目標(biāo)也將從/高性能走向“高效能”。按美國(guó)DARPAHPCS計(jì)劃說(shuō)明，High productivity的綜合含義是指提高超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算性能、可編程性、可移植性和魯棒性，同時(shí)努力降低系統(tǒng)的

9、開(kāi)發(fā)、運(yùn)行及維護(hù)成本。HPCS計(jì)劃表明，超級(jí)計(jì)算機(jī)要想保持快速發(fā)展勢(shì)頭，必須要有本質(zhì)的變化，即必須采用先進(jìn)技術(shù)，平衡各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性、高可用性、高可維性、高安全性和低功耗。4 高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展任重道遠(yuǎn)高性能計(jì)算機(jī)的制造是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，提高計(jì)算機(jī)的性能有許多關(guān)鍵問(wèn)題有待解決。盡管我國(guó)已經(jīng)能夠制造十萬(wàn)億次級(jí)的高性能計(jì)算機(jī)，但是高性能計(jì)算的整體水平比起美國(guó)、日本和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大的差距。當(dāng)前制約我國(guó)高性能計(jì)算發(fā)展的主要因素有：4.1 核心技術(shù)不足我國(guó)制造的高性能計(jì)算機(jī)在核心技術(shù)上雖有不少突破，但仍然在很大程度上依賴(lài)于國(guó)外。在高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)上投入的研究經(jīng)費(fèi)

10、和研究力量不足，阻礙我國(guó)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新。4.2 人才不足高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用目標(biāo)往往是解決綜合性、系統(tǒng)性的復(fù)雜問(wèn)題，涉及多個(gè)領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)一個(gè)好的高性能計(jì)算應(yīng)用涉及應(yīng)用問(wèn)題抽象、模型建立、并行算法研究、并行程序?qū)崿F(xiàn)、應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證等多個(gè)階段，需要熟悉應(yīng)用和計(jì)算的多面手型人才，需要不同學(xué)科、不同技術(shù)背景的人員的密切合作。而我國(guó)高校目前的專(zhuān)業(yè)劃分難以培養(yǎng)既熟悉先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，又熟悉應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題的人才，以至于這類(lèi)人才奇缺。不同學(xué)科的科技人員之間的交流和合作機(jī)制又不健全，造成懂高性能計(jì)算機(jī)的人不懂應(yīng)用，而了解應(yīng)用的人又不知道如何用高性能計(jì)算的方法來(lái)解決問(wèn)題的局面。4.3 應(yīng)用軟件匱乏我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)存在的重硬

11、件、輕軟件的現(xiàn)象在高性能計(jì)算領(lǐng)域格外突出，影響更大。對(duì)于高性能計(jì)算機(jī)而言，缺乏合適的應(yīng)用軟件就根本無(wú)法開(kāi)展相應(yīng)的應(yīng)用，也無(wú)法吸引用戶(hù)來(lái)使用高性能計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)應(yīng)用部門(mén)每年都花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)，采購(gòu)應(yīng)用軟件，但是這種采購(gòu)一般是分散進(jìn)行的，缺少相互協(xié)調(diào)，因此國(guó)家整體布局還不盡合理，有些軟件多個(gè)部門(mén)重復(fù)采購(gòu)，而另一些急需的軟件又沒(méi)人購(gòu)買(mǎi)。4.4 資源分布不均勻國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算機(jī)主要分布在科研院所、大學(xué)以及石油勘探、氣象預(yù)報(bào)等應(yīng)用部門(mén)，地域分布也不均勻。資源分布的不均勻和資源訪問(wèn)的困難，使得不少高性能計(jì)算的潛在用戶(hù)放棄了應(yīng)用的打算。在經(jīng)濟(jì)效益不夠好的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)尤其如

12、此。這種資源分布的不均勻性一方面使需要資源的用戶(hù)難以獲得資源，另一方面也造成寶貴資源的閑置和浪費(fèi)。我國(guó)的高性能計(jì)算事業(yè)必須走可持續(xù)均衡發(fā)展的道路。高性能計(jì)算是昂貴的，不僅有設(shè)備的初始投入，而且有場(chǎng)地條件、電力消耗、運(yùn)行維護(hù)和人員隊(duì)伍建設(shè)等多種費(fèi)用。因此，一定要切實(shí)從應(yīng)用需求出發(fā)，大力促進(jìn)應(yīng)用的進(jìn)步，以此推動(dòng)高性能計(jì)算的發(fā)展。強(qiáng)調(diào)應(yīng)用需求牽引并不是忽視技術(shù)的推動(dòng)作用。技術(shù)的進(jìn)步可以創(chuàng)造新的應(yīng)用，調(diào)動(dòng)新的應(yīng)用需求。網(wǎng)格以其資源共享、協(xié)同工作的固有能力和網(wǎng)格服務(wù)的形式，支持用戶(hù)共享使用Inter中的各類(lèi)資源；網(wǎng)格允許用戶(hù)克服地理的障礙，更便捷地獲得高性能計(jì)算的能力；網(wǎng)格簡(jiǎn)化高性能計(jì)算機(jī)的使用方式，使更多的普通用戶(hù)能夠利用高性能計(jì)算機(jī)的能力去解決過(guò)去難以解決的問(wèn)題，擴(kuò)大了高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。需要強(qiáng)調(diào)的是，高性能計(jì)算的技術(shù)創(chuàng)新有賴(lài)于國(guó)家持續(xù)的支持，以保證足夠的研究經(jīng)費(fèi)和一支高水平精干的研究隊(duì)伍。高性能計(jì)算人才的培養(yǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的艱巨任務(wù)，不僅要通過(guò)改革高校的學(xué)科劃分和專(zhuān)業(yè)設(shè)置來(lái)加強(qiáng)高性能計(jì)算復(fù)合型人才的培養(yǎng)，還要通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)和鍛煉各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域熟悉高性能計(jì)算的人才，只有這樣才能真正保證高性能計(jì)算