科技前沿.docx

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科技前沿

学号：

课程报告

课程名称

高性能计算

学院

计算机科学与技术学院

专业

软件工程专业

班级

软工ZY1102

姓名

指导教师

徐宁

2012——2013学年第2学期

浅谈高性能计算

摘要：

高性能计算是一个国家的综合国力的体现，是支撑国家实力持续发展的关键技术之一，在国防安全、高科技发展和国民经济建设中占有重要的战略地位。

计算科学已经和传统的理论科学与实验科学并列成为第三门科学，它们相辅相成地推动着人类科技发展和社会文明的进步。

21世纪科学最重要和经济上最有前途的研究前沿，有可能通过熟练地掌握先进的计算技术和运用计算科学得到解决。

本报告首先简单地介绍一下高性能计算的含义、特点、应用需求、地位和作用；接着讲述国际高性能计算机和我国高性能计算机的发展状况；然后概略地谈一下应用实例；最后对加速我国高性能计算及高性能计算机的发展发表几点参考意见。

Abstract:

Highperformancecomputingisareflectionofacountry'scomprehensivenationalstrength,isoneofthekeytechnologiestosupportsustainabledevelopmentofthestrengthofacountry,inthenationaldefensesecurity,high-techdevelopmentandnationaleconomicconstructionhasimportantstrategicposition.Computationalscienceisscienceandexperimentalscienceandthetraditionaltheoryandbecamethethirdscience,theycomplementeachothertopromotethehumandevelopmentofscienceandtechnologyandsocialprogressofcivilization.21stcenturyscienceandthemostimportantandmostpromisingeconomicresearchfront,likelybyskillfullymasteradvancedcomputingtechniquesandtheuseofcomputationalscienceisresolved.Thisreportfirstlysimplyintroducethemeaningandcharacteristicsofhighperformancecomputing,applicationrequirements,statusandrole;Thentelltheinternationalhighperformancecomputerandthedevelopmentofhighperformancecomputerinourcountry;Andthenbrieflydiscusstheapplications;Finally,acceleratethedevelopmentofhighperformancecomputingandsomereferenceideasonthedevelopmentofhighperformancecomputer.

关键词：

高性能计算、软件科技前沿

Keywords:

highperformancecomputing,softwaretechnologyfrontier

1.高性能计算的意义

1.1高性能计算的含义

高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。

随着信息化社会的飞速发展，高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。

在一些新兴的学科，如新材料技术和生物技术领域，高性能计算机已成为科学研究的必备工具。

同时，高性能计算也越来越多地渗透到石油工业等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。

金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。

1.2高性能计算的应用需求

2006年开始，超级计算中心结合中科院“1+10”创新基地和重点学科的部署，重点对过程工程、空间科学、计算化学、药物设计、材料科学、地球科学、环境科学、生物信息、流体力学、高能物理等11个应用领域的相关用户再次进行“十一五”期间的高性能计算需求调查。

调查内容包括用户对计算能力（CPU、内存、网络）、存储能力（对磁盘空间的需求）及应用软件需求等几个部分。

在这次调查中，我院有22个科研单位的42个课题组对高性能计算提出了需求，这些课题的来源主要包括国家自然科学基金、大科学工程、“973”、“863”、中科院、上海科委、国家气象局、北京市科委等。

不同的用户分别用计算所需CPU数与每年所需总机时来表述所需要计算能力，为便于统计，我们对每个用户的计算需求统一换算为每年所需总机时数，并进一步转换为计算性能（Gflops）来表示。

据目前数据统计，以上所有学科领域总计算机时需求为129百万CPU小时，以深腾6800为参照，所对应的计算能力约为78Tflops，约用15006多个处理器。

同时对应用软件以及可视化也有相当多的需求，这里不再赘述。

1.3高性能计算的战略地位

从战略高度上讲，高性能计算技术是一个国家综合国力的体现，高性能高计算是支撑国家实力持续发展的关键技术之一。

高性能计算国防安全、高科技发展和国民经济建设中占有重要的战略地位。

美国有关发展高性能计算的建议报告指出，从1982年到2005年，美国国防部、能源部、国家科学院、国家科学基金委以及美国总统信息技术顾问委员会、美国信息技术咨询委员会、美国国家竞争力委员会等提出的有关信息技术和计算机的建议报告中，大都涉及到了高性能超级计算机的内容。

2006年2月，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》指出加速发展高性能计算对提高我国国防建设与国家安全、国家经济建设、国家重大工程和基础科学研究等尖端科技领域的核心支撑能力，具有十分重要的战略意义。

提出要全面提升我国的自主创新能力，以期将我国在2020年前建设成为一个创新型国家。

2.高性能计算的发展与现状

2.1高性能计算机的历史

20世纪70年代出现的向量计算机可看作是第一代HPC，通过在计算机中加入向量流水部件，大大提高了科学计算中向量运算的速度。

其中较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列和中国的银河一号及中科院计算所的757计算机。

80年代初期，随着VLSI技术和微处理器技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破，“性/价比”而非单一性能成为衡量HPC系统的重要指标。

90年代初期，大规模并行处理（MPP）系统已开始成为HPC发展的主流，MPP系统由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。

代表性系统有TMC的CM-5、IntelParagon、中科院计算所的曙光1000等。

较MPP早几年问世的对称多处理（SMP）系统由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成，早期的SMP和MPP相比扩展能力有限，不具有很强的计算能力，但单机系统兼容性好，所以90年代中后期的一种趋势是将SMP的优点和MPP的扩展能力结合，发展成后来的CC-NUMA结构，即分布式共享内存。

其代表为SequentNUMA-Q、SGI-CrayOrigin、国内的神威与银河系列等。

在发展CC-NUMA同时，机群系统（Cluster）也迅速发展起来。

机群系统是由多个微处理器构成的计算机节点通过高速网络互连而成，节点一般是可以单独运行的商品化计算机。

机群系统比MPP具有更高的性价比，其代表是IBMSP2，国内有曙光3000、4000，联想深腾1800、6800等。

2.2高性能计算机的现状

每年6月和11月发布的TOP500一直是全球HPC领域的风向标，排行榜的变化折射出全球HPC在技术和应用方面的研究现状和发展趋势。

第28届全球TOP500HPC排行榜于2006年11月14日在美国召开的SC06大会上正式对外发布，最新排行榜反映出如下一些新的变化。

（1）总体性能趋势。

TOP500组织称，最新全部500套系统的总体计算性能将达到3.53千万亿次每秒（Pflops），而半年前只有2.79Pflops，一年前是2.30Pflops。

能够进入TOP500HPC系统的Linpack性能已从半年前的2.026万亿次每秒（Tflops）上升到2.737Tflops。

而进入前100位的系统Linpack性能则从半年前的4.713Tflops上升到6.619Tflops。

（2）美国霸主地位牢不可破，TOP10美国占7套。

美国仍然是HPC的最大用户，在研发和应用领域都遥遥领先。

此次TOP500排行榜中，一共有309套安装在美国，美国在HPC领域的综合发展水平依然是全球第一，其全球霸主地位仍然牢不可破。

欧洲有所复苏，共有92套系统，超过亚洲的79套，重回第二位。

在欧洲，英国是最大用户，拥有30套系统，其次是德国，拥有18套。

亚洲最大的用户是日本，拥有30套，而中国则从半年前的28套减少到18套。

（3）厂商：

IBM和HP是最大赢家。

当前TOP500中各个性能档次的大多数系统都来自IBM和HP。

IBM仍然是TOP500的领导者，所占份额为47.2%。

HP为第二大厂商，占31.6%，但HP此次未能进入TOP10。

份额超过3%的其它制造商为：

SGI（4.0%）、DELL（3.6%）、CRAY（3.0%），这三大厂商都有系统入选TOP10。

（4）体系结构：

Cluster大行其道，MPP不容忽视。

工业标准化的机群系统Cluster仍占据TOP500HPC排行榜的垄断地位，361套系统，占72.2%。

绝大部分的机群系统来自IBM和HP，主要面向工业和商业的低端应用领域。

采用星群（Constellations）结构的系统为31套，比半年前的38套有所减少。

而108套面向高端市场的MPP结构系统比半年前的98套有所回升。

（5）处理器：

AMD大获增长，Inetl仍是最大赢家。

目前，TOP500共有263套系统采用英特尔处理器，占52.6%，比一年前的333套（66.6%）有较大幅度下降。

形成鲜明对比的是，AMD的皓龙系列处理器从一年前的56套（占11.20%）增加到现在的113套（占22.6%），并首次超过IBM的Power，成为现在TOP500中应用最多的第二大处理器。

另有91套系统采用IBM的Power处理器（占18.2%），而一年前只有72套（占14.4%）。

另外，双核处理器也已获广泛应用。

已有76套系统采用皓龙双核CPU，31套采用了英特尔最新推出的Woodcrest双核至强。

（6）互连网络：

InfiniBand增长迅速。

尽管半年前有256套系统采用千兆以太网，而现在只有213套，但千兆以太网仍然是用得最多的内部系统连接技术。

Myricom公司的Myrinet从87套减少到了79套。

相反，InfiniBand技术获得了迅猛增长，从半年前的36套增加到现在的78套。

（7）操作系统：

Linux成为首选。

Linux目前已成为HPC的首选操作系统。

当前TOP500排行榜中有376套系统使用了Linux操作系统，比重为75.2%，而2001年仅有39套；相比之下，此次只有86套使用Unix操作系统，而2001年是443套。

短短几年时间，TOP500中操作系统的格局发生了翻天覆地的变化。

网络化将是HPC最重要的趋势，网格（Gird）已成为高性能计算一个新的研究热点。

网格将分布于全国的计算机、数据、存储设备、用户、软件等组织成一个逻辑整体，各行业可以在此基础上运行各自的应用网格。

2.3高性能计算面临的主要问题

2.3.1Memorywall：

存储器访问能力与处理部件计算能力的不平衡

（1）处理器速度每年提高59%，高性能计算速度提高更快。

（2）存储器速度每年提高7%。

（3）处理器性能与数据访问带宽和延迟之间的差距越来越大。

（4）必须从系统存储体系结构上创新，改进时延机制，以提供更高的带宽和更低的延迟。

（5）目前对三类超级计算机（定制、混合与商业）的主要区别在于针对不同的存储访问模式所能提供的有效本地和全局存储访问带宽。

2.3.2Programmingwall:

系统规模增大到10万个以上处理器，系统结构复杂（数据共享与消息通信模式交织），为超级计算机编写高效健壮程序越来越复杂，越来越困难。

（1）高性能机器上的程序设计语言、库和应用开发环境的进展比广泛应用的工业软件差很多。

（2）没有广泛应用的并行程序设计模型。

（3）.软件的研制周期大于硬件的研制周期。

2.3.3Powerwall：

单个芯片的功耗急剧升高，导致整个系统的总功耗越来越高

（1）占地均在数百~数千平方米，功耗在数兆瓦。

（2）综合成本急剧增加，高达数亿美元。

3.高性能计算的应用

3.1高性能计算的应用领域

回顾计算机问世半个多世纪的历史，高性能计算应用与高性能计算技术的发展是密不可分的。

一方面，计算机技术的发展为高性能计算应用提供了强大工具和物质基础，应用开发也推动了高性能计算技术本身的发展。

高性能计算技术被广泛地应用于核武器研究和核材料储存仿真、生物信息技术、医疗和新药研究、计算化学、天气和灾害预报、工业过程改进和环境保护等许多领域。

值得注意的是游戏等娱乐领域近年来已逐步成为HPC新的用户。

近年来高性能计算在工业和制造业领域的应用越来越普遍和广泛。

传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。

目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。

国外的HPC应用已具有相当的规模，在各个领域都有比较成熟的应用实例。

在政府部门大量使用HPC能有效提高政府对国民经济和社会发展的宏观监控和引导能力，包括打击走私、增强税收、进行金融监控和风险预警、环境和资源的监控和分析等。

在发明创新领域，壳牌石油公司通过全球内部网和高性能服务器收集员工的创新建议，加以集中处理。

在设计领域，好利威尔公司和通用电气公司用网络将全球各地设计中心的服务器和贵重设备连于一体，以便于工程师和客户共同设计产品，设计时间可缩短100倍。

此外，制造、后勤运输、市场调查等领域也都是HPC大显身手的领域。

3.2高性能计算的应用进展

深腾6800的应用领域涉及气象数值预报、地震预报、生物信息、药物设计、环境科学、空间科学、材料科学、计算物理、计算化学、流体力学、地震三维成像、油藏数值模拟、天体星系模拟等，其中70%以上的课题得到国家级重点项目的资助，在院内外的科学计算中发挥了重要作用，并作为国家网格项目北方区中心结点与上海超级计算中心及全国6个省市的大型计算机实现了异地互联。

以高性能计算环境为基础，中科院超级计算中心积极与院内外的多家单位合作，取得了一系列引人注目的应用成果。

与中科院力学所非线性力学国家重点实验室（LNM）和中国地震局合作的应用课题“非均匀脆性介质破坏的共性特征、前兆与地震预报”，在成功预测2004年和2005年中国大陆地震以及南亚地震方面取得了引人瞩目的成果，并由超级计算中心帮助完成的并行化LURR地震预报程序已按国家地震局的要求移植到地震局的计算环境中，将在我国中长期地震预测预报中发挥重要作用；与中科院武汉测量与地球物理所合作的应用课题“地球重力场仿真系统研究”，其成果在2005年珠峰测高中发挥了重要作用；与中科院生态环境研究中心和中国气象科学研究院合作的应用课题“大规模科学计算在生态环境研究中的应用”，其成果为北京市城市规划提供了科学依据；与中科院空间科学与应用研究中心合作的应用课题“灾害性空间天气数值预报模式的初步应用开发”，参与了“双星计划”，为中国航天事业发展做出了贡献；与中科院过程工程研究所合作的应用课题“大规模并行粒子模拟通用软件平台的开发与应用”，其成果已经在工业应用中（如宝钢）取得显著成效。

4.高性能计算的挑战与机遇

4.1高性能计算发展的展望

高性能计算的硬件发展令人叹为观止，但软件方面的缺失仍是高性能计算应用效率提高的瓶颈,如何解决软硬失衡问题，也是高性能计算方面的研究热点。

西方国家在硬件制造和软件开发方面相对比较平衡，而我国高性能计算产业呈现的却是机器大、应用少、软硬失衡的格局。

软件开发和应用水平的提高,取决于多方面的因素,一是目前我们还缺乏对规模更大、精度更高的计算模型及算法的研究,它们在传统高性能用户如石油、气象、航天等领域有巨大的需求；二是政府、软件开发商对多核处理器的支持力度不够,投入不足；三是我国专业软件开发的人员少，队伍还不够固定。

4.2加速我国高性能计算发展的参考意见

（1）以用户需求为导向，加强高性能计算环境建设。

高性能计算环境建设不能盲目以追求计算机峰值为目的，而应以用户需求为向导，以高性能计算的应用水平为依据，与全院的规划及创新基地建设密切结合，合理建设高性能计算环境。

（2）加强内地科学院合作，建立应用范围广泛的软件平台。

高性能计算环境建设中，要实现软件建设和硬件建设并重，加强国内外单位的合作，加大自主软件的开发和集成力度，使高性能计算环境真正发挥应有的作用。

在高性能环境的软件建设方面，我国的投入还需要增加，给其以持续不断的支持。

（3）强调计算机系统的实用效率、方便使用方面的研究。

高性能计算机的问世给科学研究及工农业生产等带来了前所未有的发展，同时对使用计算机也提出了更高的要求，程序越来越复杂。

因此，需要加强计算机系统研制的支持，开发易于使用的高性能计算机系统，为使用HPC的用户提供方便。

（4）注重人才培养，促进高性能应用的发展。

加强自身人才培养，引进既懂专业知识又懂计算科学的复合型人才，提升服务水平，与我国的重大任务和创新基地建设相结合，选择各学科有强烈需求的重要科学计算应用问题进行重点支持。

加强国内外的学述交流，邀请国际上的科学计算专家来华讲学和选派重点学科的骨干到国外学习科学计算知识，促进我国科学计算研究的发展。

（5）寻求国内外合作，建设具有科学计算特色的网格系统。

积极拓展多种形式的国内外合作，开展多种资源的有效集成和共享，共同建成科学研究所需要的网格系统，为全国各行业更多的用户提供高性能计算应用、信息查询、知识教育与学习等服务，推进中国网格技术与应用发展。

目前我国的高性能计算硬件环境已可与国际上的先进研究机构相比，但是应该看到在应用水平上还有相当的差距，提高应用水平是当务之急。

5.个人体会

这学期学院开设的计算机科学前沿这门课程，任课老师徐宁向我们深入浅出的介绍了关于计算机前沿方面的知识，让我受益匪浅。

随着信息技术的高速发展，计算机无时无刻在伴随着我们，科学技术和信息技术已经成为各行各业重要的信息通讯手段，在其带动下，经济全球化的进程也逐步加快，企业面临的竞争也越来越激烈，而计算机的前途也是在顺应时代潮流，不断向前发展。

计算机技术的发展也给我们在学习和生活中增添了许多乐趣。

通过这个学期的《计算机前沿技术》课，我了解到了计算机的发展史和其最基本的相关理论知识和工作原理，我们要想操作计算机，就先得要了解它的发展史、特点、功能、构造、工作原理等等关于计算机的知识 

近年来，计算机领域的各个分支都呈现欣欣向荣的发展局面，而在学习了《计算机科学前沿》一课后，让我对当代计算机科技的发展有了新的认识，也有了新的体会。

由于课程时间短暂，老师不能具体的介绍大量的专业知识，并且考虑到我们本科生的专业知识水平有限，从大处着眼，为我们大概介绍了如今软件科技发展的方向和内容。

同时还会简单向我们介绍这些研究将来的实际意义，以及和我们软件工程专业的联系。

总的来说，即使我们从书本上没学到多少专业知识，但徐老师利用紧张的课堂时间，就基本将一个新的领域在我们的脑海中勾勒出来，让我们这些连皮毛还没学到的学生真正了解到与生活有直接联系的科学研究知识。

徐老师不仅在学术领域给我们打开了新的窗户，使我们眼前一亮，也为我们介绍了他在工作学习中的切身体会和经验，提前向我们预警就业道路及工作生涯可能遇到的问题。

计算机科技前沿这门课旨在帮助大家了解相关领域的学科前沿知识，更好地学习、思考。

徐老师以自己的学识和阅历向同学们展现了当今IT业发展的现状以及存在的问题，引导同学们积极思考，使我们收获颇丰。

经过本学期的学习后，我感到责任以及重大，任何一个小的知识领域都有无穷的探索和拓展空间，我们所要做的就是加倍努力，汲取现有知识，在新的领域开拓新的研究道路，积极探索，永不止步。

6.参考文献

[1]《高性能计算－HiPC2001HighPerformanceComputing-HiPC2001BurkhardMonien》著OverseaPublishingHouse

[2]《高性能计算与通信：

HPCC2006/会议录Highperformancecomputingandcommunications》MichaelGerndt,DieterKranzlmuller著湖北辞书出版社

[3]XX文库

[4]高性能计算互动百科

[5]HPC解决方案-针对高性能计算而优化

[6]高性能计算为科学加速

[7]高性能计算技术

[8]HPCtech

[9]《生物信息学导论--面向高性能计算的算法与应用》作者：

王勇献、王正华

[10]《高等计算机系统结构--并行性可扩展性可编程性》（美）KaiHwang王鼎兴翻译清华大学出版社

课程报告评分表

内容

分数

得分

中文摘要（大于150字）

10分

英文摘要（大于150字符）

10分

报告正文（大于3000字）

50分

个人总结（大于800字）

20分

参考文献（大于10篇）

10分

总计得分

报告正文要求：

1）论述完整；2）语句通顺。

个人总结要求：

根据自己选择的题目，谈自己的想法。