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高性能计算的核心关键技术之百家观点
发布者：本站站长              发布时间：2006-12-21
 
     20世纪80年代，可以说是高性能计算机体系结构和通信技术不断创新的年代，出现了包括MPP、SMP、集群等各种各样的体系，以及各种各样的互联技术；而从20世纪90 年代以来，高性能计算应用进入全面开花阶段，高性能计算在科学计算、商业计算领域齐头并进，各种促进应用发展的技术如开发环境、存储、测试等技术不断完善；21世纪，我们将迎来高性能计算技术创新的春天，技术创新的步伐将会加快。今天，我们在此介绍高性能计算中的一些关键技术。 

　　抛开学术上对体系结构的划分，从应用的角度看看高性能计算机的发展规律。 

　　前美国总统信息技术顾问委员会两主席之一，IBM网格计划领导人Wladawsky-Berger曾认为，按照对国民经济和社会发展的影响程度，科学技术的发展可分为专家使用期、早期流行期、公众认识期、广泛使用期四个阶段。让我们依照这一思路看看高性能计算机的发展情况。 

专家使用期——只有少数专家能用 

　　在专家使用期，HPC是“大型机—终端”时代，只有少数专家可以使用，并且“会”用大型机（mainframe），解决科学研究中的计算问题。IBM 360系统和Cray-1，中科院计算所的757机、KJ系统、国防科大的银河-1等都是典型的系统。 

早期流行期——百花齐放 

　　在早期流行期，HPC是“PC—局域网—服务器”时代，专业人士开始广泛使用计算机，高性能计算机除进行科学计算外，还能做工程计算，如飞机设计、数值天气预报；做事务处理，如银行交易、企业管理信息系统等。高性能计算机呈现出百花齐放的局面，一个本质改变是微处理器取代了组合处理部件，高性能计算机的成本大大降低。 

　　从体系结构上看，以数据为计算原料的事务处理一直稳定在SMP（对称式共享存储多处理机）上，如Sun的Unix系统；在以计算（computation）为目的的高性能计算领域，则精彩纷呈。 

　　为了在一个时钟周期内做更多计算，人们将许多计算部件放在一个CPU内，成为向量机（vector），又以此为基础发展了共享存储的向量机，能共享远地存储的分布式存储向量机，如NEC SX-5系统。为了让一个应用能使用很大的内存，人们将分布在不同CPU周围的内存合并成一个逻辑的大内存，成为分布共享系统(NUMA)，又以此为基础发展了COMA、NCC-NUMA、cc-NUMA系统等，如SGI的Origin系统等。 

　　为了让应用能并行地使用尽可能多的CPU解决一个大问题，人们将大量小的处理单元用互联网络连接起来，成为大规模并行处理系统（MPP），又在此基础上发展了可物理地共享存储的MPP系统，和可逻辑地由虚存来共享存储的系统，如Cray T3E、计算所的曙光1000和金怡廉院士设计的神威等。这个时代，用户多在自己的PC上通过网络使用被称为“巨型机”和“超级计算机”（supercomputer）的这些高性能计算机。 

公众认识期——逐渐为人所熟悉 

　　在公众认识期——我们现在处于的时期，是“Internet”时代，广大的机构、企业和民众开始大量使用信息技术，与高性能计算机打交道，带来这一改变的当然是Internet和Web了。 

　　对高性能计算机来说，有两个变化改变着游戏规则：一个是以Intel CPU为代表的微处理器，正在飞快地缩小桌面系统与后台系统的处理单元在计算能力上的差距，这是“摩尔定律”在向人们显示的威力；另一个是商品化和标准化不断发挥作用，由此导致了信息产品的量产，大量用户能够使用高端技术，系统的性能价格比迅速提高，由此形成正反馈。以IBM为例，它的eServer的四个系列在CPU、高性能部件、操作系统、数据库等上越来越走向统一。 

　　这个时代在高性能计算机上的伟大贡献显然是集群（Cluster）体系结构了。Cluster就是用标准化的互联网络（定制或商品化）将量产的高性能部件连接起来，用软件提供单一系统映像。在Cluster平台上，科学计算、事务处理和“Internet”时代特有的信息服务应用都能运行自如。典型的系统有IBM SP、HP AlphaServer SC以及计算所的曙光2000、曙光3000。 

广泛使用期——HPC变成HPS 

　　在广泛使用期，人们将看不到计算机系统，看到的是各种各样的服务，这就是IBM的按需计算，计算所提倡的网格计算所描叙的美妙未来。这个时代的本质变化是高性能服务（High Performance Service），HPC变成HPS，这时的高性能计算机体系结构是什么，人们尚不知晓。但是我们可以预测一下现有的体系结构的走向。 

　　在商业计算领域，IBM的大型主机会维持它在以银行交易结算为代表的特定领域的市场，但不会有大的发展了；SMP系统是主流，以大节点SMP系统构成的集群系统将不断进入企业，甚至是银行、证券这些最保守的领域。 

　　在技术计算领域（technique computing）， MPP、cc-NUMA、VPP系统在最追求性能的应用领域会有一席之地，其中MPP/VPP在构造最大系统，最追求应用饱和性能的用户，以及资金充足的政府机构那里依然受到追捧；大型的cc-NUMA系统将逐渐走向衰落，理由有二：一是它的惟一优势是大物理内存，大量CPU共享内存的高效编程对用户是一件困难的事；二是用算法和软件的方式使用大内存，要有效和经济得多。但NUMA技术不会衰落，在IBM P690的板与板的互连中，AMP Opteron的CPU之间的互连中，都采用NUMA方式，只是规模较小而已。SMP系统由于应用的持续性，集群系统由于无可比拟的性能价格比将占据主流位置。 

未来发展 

　　高性能计算机的体系结构创新的挑战在哪里？我们认为在两个方面:一是满足新需求的技术创新，如电子商务、生物信息、信息安全、网格计算等都提出了新的需求；二是解决存在问题，集群技术无疑是应坚持的技术路线，但这一体系结构存在很多问题，如系统中有许多操作系统映像，天生单一系统映像差；当系统较大时，可扩展性和可靠性较差。计算所智能中心将重点放在四项技术上进行创新，分别是网格零件、数据密集技术、全频谱服务和大规模集群计算。
　　
 

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