高性能计算机的关键技术和发展趋势
高性能计算(HPC)概况及应用介绍
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第二代计算机，1959-1964，大量 采用晶体管和印刷电路板，体积 不断减小，功能不断增强，并出 现大量应用软件；
➢ 第三代计算机，1964-1972，大量 使用集成电路，以IBM360系列为代 表；
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第四代计算机，1972-至今，基于大规模集成电路及超大规模集成电路。1976年， Cray-1，第一台商用高性能计算机问世，集成了20万个晶体管，每秒可进行1.5 亿次浮点运算。
1、能耗分析 相同节点浸没液冷服务器方案功耗比风冷服务器方案低80%，其节能效果明显。 通过计算，其PUE值也明显低于风冷服务器方案。 浸没式液冷服务器PUE=1.046 风冷服务器PUE=1.361 2、占地面积分析 以上表格所指面积为投影面积，由此可见，同等节点服务器部署，浸没液冷服务 器方案比风冷服务器方案节约用地约85%。
2013年5月14日，安吉丽娜·朱莉在自 己写的文章《我的医疗选择》中称自己通 过基因检测确定带遗传缺陷基因BRCA1，医 生估测她患乳腺癌和卵巢癌的几率颇高， 分别为87%和50%，朱莉选择双侧乳腺切除 术保留乳房，降低患癌风险。2015年3月24 日，安吉丽娜·朱莉宣布，由于担心罹患卵 巢癌，她已经切除了卵巢和输卵管。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之气象学研究：
气候环境研究是高性能计算领域的 传统应用，世界上第一台电子计算机 ENIAC就曾被用来进行天气预报，由于 气象相关预报往往关系到农业、工业、 军事、交通等众多核心关键业务，同时 预报天气所需要的计算能力非常高，因 此世界上最先进的高性能计算机通常都 被用来运行大规模的数值计算与气候模 拟应用。
我国高性能计算机的应用前景及发展中的问题
弃 了应 用 的打 算 。 在 经济 效 益 不够 好 的 传
统 产 业 尤 其如 此 。 这种 资 源 分 布的 不 均 匀 性 一 方 面 使 需 要 资 源 的 用 户 难 以 获 得 资 源 ， 另一 方面 也 造 成 宝贵 资 源 的 闲置 和浪 费。 结 语 我 国 的高 性 能 计算 事 业 必须 走 可持 续 均 衡 发 展 的 道 路 。 高性 能 计 算 是 昂贵 的 ， 不 仅 有 设 备 的 初 始 投 入 ，而 且 有 场 地 条 件 、 电力 消 耗 、运 行 维护 和 人 员队 伍 建 设 等 需 求 出发 ，大 力促 进 应 用的 进 步 ， 以此 推 动 高性 能 计 算 的发 展 。 强调 应 用 需求 牵 引 并 不是 忽 视 技 术 的推 动 作 用 。技 术 的进 步 可 以 创造 新 的应 用 ，调 动新 的 应 用需 求 。 网 格以 其 资 源共 享 、协 同 工作 的 固有 能 力 和 网 格 服 务 的 形 式 ，支 持 用 户 共 享 使 用 Ｉ ｅｒ ｔ中的各类资源 ｌ网格允许用 户克 ｎｔ ｎｅ 服地 理 的 障碍 ，更 便 捷地 获 得 高性 能 计 算 的能 力 ；网格 简化 高性 能 计 算 机的 使 用 方 式 ，使 更 多的普 通 用 户 能够 利 用高 性 能 计 算机的能力去解决过去难以解决的问题 ， 扩 大 了高 性 能计 算 机 的应 用 范 围 。需 要 强 调 的是 ，高性 能计 算 的技 术 创 新有 赖 于 国 家 持续 的 支 持 ，以保 证 足够 的 研 究 经费 和 支 高水 平 精 干的 研 究 队伍 。高 性能 计 算 人 才 的培 养 是 一项 长 期 的艰 巨任 务 ，不 仅 要 通过 改 革 高 校的 学 科 划分 和 专 业设 置 来 加 强 高性 能 计 算 复合 型 人才 的 培 养 ，还 要 通 过 应用 系统 的开 发 ，培养 和 锻 炼 各个 行 业 与 领域 熟 悉 高性 能 计 算的 人 才 ， 只有 这 样 才 能真 正 保 证 高性 能 计算 及 应 用 的可 持
CPU关键技术未来演进路线
CPU关键技术未来演进路线后摩尔定律时代，单靠制程工艺的提升带来的性能受益已经十分有限，Dennard Scaling规律约束，芯片功耗急剧上升，晶体管成本不降反升；单核的性能已经趋近极限，多核架构的性能提升亦在放缓。
AIoT时代来临，下游算力需求呈现多样化及碎片化，通用处理器难以应对。
1）从通用到专用：面向不同的场景特点定制芯片，XPU、FPGA、DSA、ASIC应运而生。
2）从底层到顶层：软件、算法、硬件架构。
架构的优化能够极大程度提升处理器性能，例如AMD Zen3将分离的两块16MB L3 Cache 合并成一块32MB L3 Cache，再叠加改进的分支预测、更宽的浮点unit 等，便使其单核心性能较Zen2提升19%。
3）异构与集成：苹果M1 Ultra芯片的推出带来启迪，利用逐步成熟的3D封装、片间互联等技术，使多芯片有效集成，似乎是延续摩尔定律的最佳实现路径。
主流芯片厂商已开始全面布局：Intel已拥有CPU、FPGA、IPU产品线，正加大投入GPU产品线，推出最新的Falcon Shores架构，打磨异构封装技术；NvDIA则接连发布多芯片模组（MCM，Multi-Chip Module）Grace系列产品，预计即将投入量产；AMD则于近日完成对塞灵思的收购，预计未来走向CPU+FPGA的异构整合。
此外，英特尔、AMD、Arm、高通、台积电、三星、日月光、Google 云、Meta、微软等十大行业主要参与者联合成立了Chiplet标准联盟，正式推出通用Chiplet的高速互联标准“Universal ChipletInterconnectExpress”(通用小芯片互连，简称“UCIe”)。
在UCIe的框架下，互联接口标准得到统一。
各类不同工艺、不同功能的Chiplet芯片，有望通过2D、2.5D、3D等各种封装方式整合在一起，多种形态的处理引擎共同组成超大规模的复杂芯片系统，具有高带宽、低延迟、经济节能的优点。
计算机网络技术的发展现状及趋势
计算机网络技术的发展现状及趋势在当今数字化的时代，计算机网络技术已经成为了推动社会发展和变革的关键力量。
它不仅深刻地改变了人们的生活方式和工作模式，还对全球经济、文化和科技的发展产生了深远的影响。
从发展现状来看，计算机网络技术在以下几个方面取得了显著的成就。
首先是网络速度的大幅提升。
随着光纤通信技术的不断发展和普及，网络带宽得到了极大的扩展，使得高清视频流、大型文件下载和在线游戏等高带宽需求的应用能够流畅运行。
5G 技术的出现更是将无线网络的速度提升到了一个新的高度，为智能交通、工业自动化和远程医疗等领域带来了前所未有的机遇。
其次，云计算技术的兴起使得计算资源和存储资源能够像水电一样按需取用。
企业和个人不再需要大规模投资建设自己的数据中心，而是可以通过互联网使用云服务提供商提供的强大计算和存储能力。
这不仅降低了成本，还提高了资源的利用率和灵活性。
再者，物联网技术让各种设备和物品能够互联互通。
从智能家居中的智能家电到工业生产中的智能传感器，物联网正在构建一个万物互联的世界。
通过物联网，设备能够自动收集和传输数据，实现智能化的管理和控制，提高生产效率和生活品质。
在网络安全方面，随着网络攻击手段的日益复杂和多样化，网络安全技术也在不断升级。
防火墙、入侵检测系统、加密技术等多种安全手段被广泛应用，以保护网络系统和用户数据的安全。
同时，网络安全意识的普及也在不断加强，人们对网络安全的重视程度越来越高。
然而，计算机网络技术在发展过程中也面临着一些挑战。
网络隐私问题日益突出。
随着大数据技术的广泛应用，个人信息被大量收集和分析，用户的隐私面临着严重的威胁。
如何在充分利用数据的同时保护用户隐私，成为了亟待解决的问题。
网络拥塞和延迟仍然是影响网络性能的重要因素。
特别是在高并发的情况下，网络容易出现拥堵，导致数据传输延迟和丢包，影响用户体验。
网络技术的发展也带来了数字鸿沟的问题。
不同地区、不同群体之间在网络接入和使用能力上存在着较大的差距，这可能会进一步加剧社会的不平等。
计算机未来发展与趋势
计算机未来发展与趋势摘要：自1946年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路与大规模集成电路、超大规模集成电路四个阶段。
作为通信技术的重要载体，随着第五代通信技术的逐渐普及，计算机的发展将趋向超高速、超小型、智能化和人性化。
传统计算机的劣势被一再放大，针对基本原理寻求突破的新型计算机研究应运而生，量子计算机等基础研究将拥有广阔的前景。
需求带来发展，人工智能化的时代要求，将推动新一轮计算技术的革命，也必将成为人类计算机史上的一次伟大突破。
关键词：新型计算机，人工智能，人机物融合。
人工智能浪潮席卷全球的同时，对计算机的智能化也提出了新的要求，具备感知、思考、判断和学习能力的新型计算机技术亟待突破。
在硅芯片技术高速发展的大背景下，意味着硅技术的物理极限愈发逼近，为实现计算机的智能化和人性化，新型计算机不断涌现，计算机的体系结构、物理器件和操作系统都将发生深刻的变革和质的飞跃。
曾经概念模糊的量子计算机、纳米计算机和光子计算机也在持续的基础研究下轮廓逐渐清晰，将在这场深远的计算革命中走进并改变我们的生活。
1.概念革新——新型计算机（1）量子计算机量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储以及处理量子信息的物理装置。
通俗地讲，当这个物理装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算机以量子比特（qubit）作为信息存储单元，也称之为量子位，可以用原子基态和激发态来表示，由于叠加效应，量子比特既可以是0又可以是1，因此一个量子位可以存储2个数据，一个量子比特就需要两个数据才能确定，而多个量子比特的存储的数据量将远远大于同样数目的比特。
量子计算机的概念源于可逆计算机的研究，也同时基于通用图灵机的基础之上，而其“量子并行计算”的性质才是量子计算机巨大威力的奥秘所在。
一个直观的例子，传统存储器可同时存储2N个数字，对1000位的大数进行因数分解需1025年，而量子存储器可同时存储2^N个数字，对1000位大数进行因数分解只需要几分之一秒，是革命性的飞跃。
我国高性能计算的回顾与展望
我国高性能计算的回顾与展望作者：钱德沛来源：《民主与科学》2017年第04期回顾过去20年中国高性能计算的发展，可谓举步维艰，成绩卓然。
简单算一笔账，国际上通常的发展速度是10年性能提高1000倍，20年差不多100万倍，但我们提高了5000多万倍，我们在20年走完了别人30年甚至40年走的路。
一、高性能计算发展的回顾高性能计算是战略性、前沿性的高技术，是发达国家争夺的战略制高点。
高性能计算是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全方面一系列重大挑战性问题的重要手段，是国家创新体系的重要组成部分。
高性能计算产生的原始创新和高端技术会影响下游产业的发展，因此美国、日本、欧盟在这方面均有大量的投入，包括资金和人力，以确保他们的技术始终保持着领先地位。
我国的高性能计算发展得益于“863计划”的实施，受国际及国内科研和工业发展需求的变化，期间经历了几次研究重点的转变。
1987年启动之初，研究重点是智能计算机系统，当时受到日本五代机的影响，而且80年代人工智能处于高潮时期，当时的重点是研究Lisp机、Prolog机，目标是实现高效规约、推理，从而支持人工智能应用。
1990年，根据国内科研与工业的现实需求，重点转向研制并行计算机，像SMP、MPP等，期间成立国家智能机中心，并于1993年成立曙光公司。
1998年，受美国网格计划的影响，研究重点从研制单台高性能计算机转向高性能计算机与网络计算环境并重，目的是建立互联网上普遍共享的计算能力，形成国家计算基础设施。
2006年，又提出高性能向高效能的转变，这导致计算机研制技术路线的变化，从单纯强调峰值性能变为强调除性能指标之外的可编程性、可移植性和系统的可靠性。
在强调依托自主技术实现E级计算机的今天，我们又处在一个转折的节点，面临研究重点新的转变，即强调如何建立基于自主技术的高性能计算生态环境。
过去的15年里，“863计劃”连续支持了三个重大的项目，即2002—2005年的重大专项“高性能计算机及核心软件”，2006—2011年的重大项目“高效能计算机及网格服务环境”，2011—2016年的重大项目“高效能计算机及应用服务环境”。
多核处理器的关键技术及其发展趋势
多核处理器的关键技术及其发展趋势多核处理器是一种在单个芯片上集成了多个处理核心的中央处理器。
它可以同时执行多个任务，提高计算机的处理能力和性能。
多核处理器的关键技术包括核心通信技术、调度和分配算法、内存系统设计以及功耗和散热管理。
本文将详细介绍多核处理器的关键技术及其发展趋势。
核心通信技术是多核处理器的关键技术之一。
多核处理器的核心之间需要进行有效的通信和数据交换，以便协同完成任务。
常见的核心通信技术包括共享内存、消息传递和DMA（直接内存访问）等。
共享内存是多核处理器中广泛使用的一种通信方式，它允许多个核心访问同一块物理内存，提供了高效的数据共享和通信能力。
消息传递是一种基于消息传递机制的通信方式，核心之间通过发送和接收消息进行通信。
DMA技术允许核心直接访问主存中的数据，减少了核心之间的通信开销。
未来，核心通信技术将更加强调低延迟和高吞吐量的特性，以满足越来越复杂的应用需求。
调度和分配算法是多核处理器的关键技术之二。
调度算法决定了多核处理器上各个任务的执行顺序和调度方式，而分配算法用于将任务分配给不同的核心。
调度和分配算法需要考虑核心之间的负载均衡、响应时间和功耗等因素。
常见的调度算法包括先来先服务、最短作业优先、时间片轮转和优先级调度等。
未来，调度和分配算法将更加智能化，能够根据任务的特性、系统的负载和资源情况进行动态调整，以最大化系统的吞吐量和响应能力。
内存系统设计是多核处理器的关键技术之三。
内存系统是多核处理器中用于存储和访问数据的重要组成部分，它需要支持多核并发访问、提供高带宽和低访存延迟的特性。
常见的内存系统设计包括缓存一致性协议、内存一致性模型和内存控制器设计等。
缓存一致性协议用于保证多核处理器中各级缓存之间的数据一致性，确保核心之间访问同一份数据时获得一致的结果。
内存一致性模型定义了内核之间共享数据时的可见性和一致性规则。
内存控制器设计需要考虑多核并发访问时的冲突和带宽分配等问题。
我国高性能计算机应用前景及发展中的问题
高性能计算机是衡量一个国家综合国力的重要标志，是国家信息化建设的根本保证。
发展高性能计算机，可以带动科学技术的进步，解决国民经济建设、社会发展进步、国防建设与国家安全等方面一系列的挑战性问题，促进我国相关产业的快速发展。
衡量高性能计算机的水准主要是看其计算能力。
60年前，当每秒能完成数千次运算的第一台数字计算机诞生时，它就是当时最高计算能力的体现。
近30年来，计算机的运算速度平均每10年就要翻1000倍，这比我们通常说的每18个月翻一番的摩尔定律速度还要快。
在进入新世纪的今天，恐怕每秒5万亿次到10万亿次的运算速度只能算是高性能计算机入门的门槛。
当今世界上最快的计算机，美国的蓝色基因计算机，每秒钟已经可以执行180多万亿次浮点运算，而每秒千万亿次浮点运算能力的计算机的问世也指日可待。
高性能计算机与大众生活息息相关高性能计算机一般都和科学研究联系在一起，小到原子结构的分析，大到宇宙起源模拟，到处都需要高性能计算机。
但是，高性能计算机的应用决不仅限于此。
在和人民大众生活息息相关的各个领域，我们都可以看到高性能计算机的身影——工农业生产和人民生活需要精确的天气预。
今年夏天台风“麦莎”与北京的擦肩而过以及飓风“卡特丽娜”对美国新奥尔良的正面重创说明我们多么需要精确的天气预。
以高性能计算为基础的气象和气候数值预是精确天气预的基础。
我们知道，地球连同它的大气层是一个大系统，它的内部以及它与宇宙空间，非凡是与太阳之间的能量交换与转换决定了地球上的气候状况。
假如我们能够在观察数据的基础上，精确地计算和模拟出这个系统内能量转换的过程，我们就可以精确地猜测天气的变化。
现在的高性能计算机的速度还不足以让我们在全球范围以精确的尺度达到这个目的。
——对新药研制的促进。
在与疾病作斗争的过程中，我们需要新的药品。
研制一种新药从化合物筛选到临床试验，一般需要10到15年的时间。
在化合物筛选阶段，对于数十万种化合物，用传统的实验手段，筛选出有效的化合物需要花费大量资金购买化合物，需要几年的实验时间，而且筛选—的范围受到金钱和时间限制，难以得到最佳的结果。
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高性能计算机的关键技术和发展趋势
作者：金怡濂， 黄永勤， 陈左宁， 桂亚东， 漆锋滨
作者单位：国家并行计算机工程技术研究中心,北京,100080
刊名：
中国工程科学
英文刊名：ENGINEERING SCIENCE
年，卷(期)：2001,3(6)
被引用次数：11次
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本文链接：/Periodical_zggckx200106001.aspx。