超级计算机的现状及展望

超级计算机的现状及展望

摘要：超级计算是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全和国防建设等领域一系列重大挑战性问题的重要手段，是国家综合国力、科技竞争力和信息化建设能力的重要体现，是国家创新体系的重要组成部分，已经成为世界各国特别是大国争夺的战略制高点。在计算机领域，超级计算泛指设计、制造和应用超级计算机的各类活动；在其他行业领域，超级计算通常指在超级计算机上进行的大规模科学和工程计算、海量数据处理和信息服务等应用活动。超级计算机在全球已经取得了举世瞩目的成就，最近的全球超级计算机500强榜单的公布，超级计算机再次成为人们关注的焦点。中国的“天河一号”虽然居于第二位，但是这已经表明中国的计算机事业正在突飞猛进的发展，正在逐渐成为我们综合国力的重要体现。随着超级计算机运算速度的迅猛发展，它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。就拥有量和运算速度上我国在世界上处于领先地位，但就超级计算机的应用领域来说我们和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。如何利用超级计算机来为我们的工业、科研和学术等领域服务已经成为我们今后研究发展的一个重要课题。

关键词：超级计算机、发展、挑战

1、超级计算机概念

超级计算机是指“当前时代运算速度最快的大容量大型计算机，是计算机领域的珠穆朗玛峰”。类似称谓还有高性能计算机、高效能计算机等。超级计算机的界定具有显著的时代特征，与当时的计算机技术和应用的发展水平紧密相关。以峰值速度指标为例，２０００年前后，具有每秒万亿、十万亿次双精度浮点运算能力是超级计算机的标志；而在２００９年前后，百万亿次以上成为超级计算机的新标志；当前，千万亿次已成为超级计算机的新高峰。

2、超级计算机主要用途

日常经济、科技、国防等领域存在一系列复杂、大型的问题，都建立了越来越精细的物理模型，都需要计算机求解。最复杂、最大型的一类被称为“挑战性问题”，必须依赖同时代中运算速度最快的“超级计算机”。

2.1气象预报：借助超级计算机能够模拟复杂的气流、洋流变化，预测天气走向，从而避免或减缓气象灾害给人类带来的破坏。

2.2地震预报：超级计算机能计算各种地层应力变化，模拟地壳运动，这将帮助人们探索地震预测方法，从而减轻与地震相关的灾害风险。

2.3发现生命秘密：从基因学的数据密集型研究到细胞网络模拟，生物学已经显示出巨大的计算需求，超级计算机将帮助寻找生命的秘密。

2.4发现地球秘密：超级计算机在地球物理学中的应用涉及大量数据处理和模拟，如石油勘测问题，这类问题具有巨大的潜在经济效益。

2.5发现宇宙秘密：超级计算机模拟是天体物理学的基础，它可模拟时间进程并加速这种模拟进程，从而对天体的演变进行建模和理论试验。

2.6汽车设计：汽车设计需要综合考虑空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性，以及乘坐者舒适度、噪音等多种因素，因此设计一款好车，必须借助超级计算机。

2.7纳米材料设计：在设计纳米材料等新兴材料时，对物质和能量的模拟是计算密集型的，只有超级计算机才能发现具有很高经济效益的物质和反应。

2.8社会科学治理：使用超级计算机可以对影响社会健康和安全的过程和系统进行模拟，比如污染、灾难以及针对本地和国家基础设施进行的恐怖主义活动等。另外，宏观经济、社会学等学科的研究同样需要超级计算机，比如对大量人口的行为进行模拟

3、超级计算机的技术发展

一般认为，自1946年第一台电子计算机ENIAC问世至今，超级计算机的发展已先后经历了5个阶段或5代，即早期的单处理器巨型机、向量处理系统、大规模并行处理系统、共享内存处理系统和机群系统。

涡轮式刀片计算机

1964年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台超级计算机，其运算速度为1Mflops.70年代初研制成功STAR-100向量机，这是世界上最早的向量机。随后于1974年，诞生了世界上最早的SIMD阵列计算机--ILLIAC-IV并行机。

1976年，CRAY公司推出CRAY-1向量机，开始了向量机的蓬勃发展，其峰值速度为0.1Gflops. 向量机处理对提高计算机运算速度十分有利，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于时钟周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太可能。就在传统向量机逐渐萎缩的同时，应来了大规模并行处理MPP机蓬勃发展的时代。各种新技术层出不穷，大公司也纷纷介入。其中，1996年12月宣布的ASCI RED,运算速度超过了万亿次/秒。

目前(2011年)新建的超级计算机大都使用机群式结构，只不过在具体采用的节点机型、拓扑结构及互连技术会有所不同。机群式超级计算机系统具有结构灵活、通用性强、安全性高、易于扩展、高可用性和高性价比等诸多优点。

4、超级计算机在各国的发展

4.1中国

在今年最新一期的全球超级计算机500强榜单中，中国进入榜单的超级计算机总数仅次于美国，名列亚军，共有74台超级计算机上榜，其中在超级计算机榜单前十名中，中国占了两席，中国的“天河一号”排名第二，“星云”超级计算机排名第四。而在十年前的超级计算机500强榜单中，中国仅有三台上榜，其中最快的一台排名仅第150位，是中国农业银行运行的信贷管理系统。

上世纪90年代初，中国的超级计算机几乎全是进口产品，科研机构要在外国人的现场监控下使用进口计算机。近年来，中国逐步探索出了一条适合国情的发展超级计算机的新路子，“中国制造”不断缩小与发达国家的差距，在一些技术领域甚至处于世界领先地位。

而近年来，中国的技术优势正在逐步显现。2009年11月，500强中的中国超级计算机有21台上榜，到了今年6月份，中国已经有62台超级计算机跻身全球500强，此次更是增加到了74台。

“天河一号”的运算速度达到世界领先水平，其意义远远超过计算机本身，这意味着超级计算机被美日垄断的局面已被打破，这是中国科技迅猛发展的重要标志。对我国来说，类似“天河一号”这样的超级计算机，在消除我国安全威胁、提

高我国产业的自主设计能力和核心竞争力等方面有不可替代的作用。美国《连线》杂志感慨称：“这是一项非常了不起的成就。”中国超级计算机系统无论是在总数还是累计峰值运算能力上，都超过了德、日、法等传统的超级计算机大国。超级计算机500强名单的操盘手、劳伦斯伯克利国家实验室的高级科学家埃里克表示：“来自中国的超级计算机数量稳步增加，系统的复杂性也在加深。

１９８３年，中国第一台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机历经５年研制在国防科技大学诞生。它的研制成功向全世界宣布：中国成了继美、日等国之后，能够独立设计和制造巨型机的国家。

１９９２年，国防科技大学研制出银河－ＩＩ通用并行巨型机，峰值速度达每秒１０亿次，主要用于中期天气预报。

１９９３年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准ＵＮＩＸ操作系统设计开发的并行计算机。

１９９５年，曙光公司又推出了曙光１０００，峰值速度达每秒２５亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒１０亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光１０００与美国Ｉｎｔｅｌ公司１９９０年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近，与国外的差距缩小到５年左右。

１９９７年，国防科技大学研制成功银河－ＩＩＩ百亿次并行巨型计算机系统，峰值性能为每秒１３０亿次浮点运算。

１９９７至１９９９年，曙光公司先后在市场上推出曙光１０００Ａ，曙光２０００－Ｉ，曙光２０００－ＩＩ超级服务器，峰值计算速度突破每秒１０００亿次浮点运算。

１９９９年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威Ｉ计算机，峰值运算速度达每秒３８４０亿次，在国家气象中心投入使用。

２００４年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光４０００Ａ实现了每秒１０万亿次运算速度。

２００８年，“深腾７０００”是国内第一个实际性能突破每秒百万亿次的异构机群系统，Ｌｉｎｐａｃｋ性能突破每秒１０６．５万亿次。

２００８年９月１６日，曙光５０００Ａ在天津下线，实现峰值速度２３０万亿次、Ｌｉｎｐａｃｋ值１８０万亿次。作为面向国民经济建设和社会发展的重大需求的网格超级服务器，曙光５０００Ａ可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。２００９年６月，５０００Ａ正式落户上海超算中心。

２００９年１０月２９日，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生。这台计算机每秒１２０６万亿次的峰值速度和每秒５６３．１万亿次的Ｌｉｎｐａｃｋ实测性能，使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。

２００９年１１月１１日，中国拥有完全自主知识产权的千万亿次计算机“曙光６０００”将于２０１０年问世。“曙光６０００”将首次采用国产通用处理器龙芯。

２００９年１１月１７日，半年评选一次的全球超级计算机５００强最新名单正式公布。由中国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，这次以实测速度每秒５６３．１万亿次位列世界第五、亚洲第一，这也是中国超级计算机迄今在这一５００强排行榜上获得的最高名次。“天河一号”的峰值速度达到每秒１２０６．１９万亿次，是中国首台每秒运算速度超过千万亿次的超级计算机。

２０１０年５月，具有自主知识产权的我国第一台实测性能超千万亿次的“星云”超级计算机在曙光公司天津产业基地研制成功。５月３１日，“星云”以Linpack 值１２７１万亿次，在第３５届全球超级计算机五百强排名中，列第二位。６月１日，“星云”超级计算机系统正式发布。

２０１０年９月，中国首台国产千万亿次超级计算机——“天河一号”的１３排计算机柜全部安装到位，计划从９月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。

２０１０年１１月１６日,全球超级计算机５００强排行榜（又称ＴＯＰ５００）在美国新奥尔良会议中心正式揭晓，由中国国防科学技术大学研制的“天河一号”超级计算机排名第一，“天河一号”２０１０年在中国国家超级计算天津中心安装部署，升级后的实测运算速度可达每秒２５７０万亿次。美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机排名第二,中国曙光公司研制的“星云”高性能计算机位居第三。其他排名前十的超级计算机分别位于日本、法国、德国和美国。>>

２０１１年１０月２７日，国家超级计算济南中心在济南正式揭牌。这是中国首台全部采用国产ＣＰＵ和系统软件构建的千万亿次计算机系统，标志着中国成为继美国、日本之后能够采用自主ＣＰＵ构建千万亿次计算机的国家。国家超级计算济南中心由山东省科学院建设、运营和维护，２０１１年３月开始建设，近期建成并投入运行。济南中心装配的神威蓝光计算机系统，由国家并行计算机工程技术研究中心研制，系统采用万万亿次架构，全机装配８７０４片由国家高性能集成电路（上海）设计中心自主研发的“申威１６００”处理器，峰位性能达到１.０７０６千万亿次浮点运算／秒，持续性能为０．７９６千万亿次浮点运算／秒，运行（ＬＩＮＰＡＣＫ）效率达到７４．４％，性能功耗比超过７４１百万次浮点运算／秒·瓦，组装密度和性能功耗比居世界先进水平，系统综合水平处于当今世界先进行列。济南中心全部采用国产ＣＰＵ和系统软件，实现了国家大型关键信息基础设施核心技术的自主可控。目前，中国已经建成天津、深圳、济南三个千万亿次超级计算中心。

2011年中国第一台实测性能超千万亿次的超级计算机曙光“星云”11月16日将在国家超级计算深圳中心全面开通运行。

4.2美国

美国超级计算机一直处于世界前列，世界第一台超级计算机是由美国制造，在最新公布的超级计算机前500名排名，美国进入榜单数位263台，在前十和前五百强中都占据了半壁江山，遥遥领先于其他所有国家。

而且美国目前正在积极构建超级计算机系统，其运算能力将会超越“天河一号”，这些正建造的超级计算机大多数都集中在美国。美国正在开发的一套名为“蓝水”的计算机系统，使用的是IBM公司的Power 7多核处理器，每秒持续运算速度能达1000兆次，最高可达10000兆次。此外，美国橡树岭国家实验室正在研制内置加速器的超级计算机，研制成功后计算能力有望达20千万亿次，预计在2012年研制完成，其速度将近“天河一号”10倍。

4.3日本：

在研发超级计算机方面，日本属于起步较早的国家之一。自上个世纪90年代起，日本意识到超级计算机研发是提高其国际竞争力的重要一环，不断推出和更新超级计算机的研发计划。

1999年，日本投入400亿日元（约人民币25亿元），开始名为“地球模拟器”的超级计算机研发，旨在通过在计算机内置“虚拟地球”预测及解析整个地球大气、地壳、地震等活动为目的。2002年，“地球模拟器”成功推出，将一直独占鳌头的美国挤下了“头把交椅”。之后，由于预算资金削减原因，日本超级计算机的研发目的发生了转向，原由政府主导型的超级计算机研发政策，开始向产学一体化、为民生提供更多贡献的方向发展。

但是在2011年6月又日本富士通公司研发，日本理化学研究所组装，并接受来自日本政府的资助的名为“京”的超级计算机以每秒8162万亿次运算速度成为全球最快的超级计算机，这是时隔7年，日本再回超级计算机榜单榜首。而在今年11月2日这款新型超级计算机”，成为了全球首款运算速度越过1万万亿次大关的“超级运算机器”。

4.4欧洲

欧洲采取了“化零为整”的联合手法，共同打造“超超级”计算机。2010年6月，投资数亿欧元、有20个国家参与的连接多台超级计算机、每秒速度达百万兆次的超级计算机合作平台计划，在西班牙巴塞罗那启动。此计划旨在通过建立一个连接欧洲各种计算资源的基础设施，增强欧洲的超级计算能力。

2010年10月25日，法国原子能委员会举行了大型计算中心揭幕仪式。大型计算中心坐落在法国北部的埃松省，总面积6500平方米，主要用途就是安放由欧洲多国共同研制的“居里”超级计算机，它可进行每秒超过1000万亿次的运算，相当于15万台笔记本电脑工作量的总和，将于今年年底正式投入运行。4.5俄罗斯

2010年3月，俄罗斯方面透露，国立莫斯科大学正筹建一套最大性能超每秒千万亿次浮点运算的超级计算机，会杀进TOP500排行榜前三甲，甚至还有望拿下第二位。与此同时，2010年9月，俄罗斯还展示了最高密度Tesla超级计算机，号称可实现全球最高的运算性能密度，在小空间内实现万亿次计算解决了占地空间大、造价高等缺点。

4.6印度

目前，印度也是世界上为数不多几个自主拥有超级计算机的国家，它以低廉的成本，研制出了高品质和具备高速运算能力的超级计算机。2007年，全球“超

级计算机500强”排行榜中公布，印度首次有超级计算机打入世界第4位。尽管目前500强中印度只占有4席，但印度的IT产业为世界所称道，它依然有强大的潜在实力再造佳绩。今年5月份，印度计划委员会本周已同意向印度空间研究组织和印度科学研究所拨款总计1000亿卢比（约合23亿美元），以研制出运算速度达每秒百万万亿次的超级计算机。

5、超级计算机的最新排名

1.K Computer 首个跨越亿亿次运算的超级计算机

世界上最快的超级计算机“京”(K Computer)是日本RIKEN高级计算科学研究院(AICS)与富士通的联合项目。“京”(K Computer)没有使用GPU加速，而是完全基于传统处理器搭建。“京”(K Computer)的最大性能四倍于排在第二位的“天河一号”。现在的“京”(K Computer)配备了88128颗富士通SPARC64 VIIIfx 2.0GHz八核心处理器，核心总量705024个，最大计算性能10.51Petaflop/s，峰值性能11.28038 Petaflop/s，同时效率高达93.2％，总功耗为12659.9千瓦。

2.天河一号

位于中国天津国家超级计算机中心的“天河一号系统”在最新的排行榜中位列第二。计算能力达到2.57 petaflop/s。去年，天河一号还曾在TOP500排行榜中排名榜首。天河一号采用了CPU+GPU的混合架构。配有14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器、7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡，以及2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器，总计20多万颗处理器核心，同时还配有专有互联网络。造价在6亿人民币以上。

3.JAGUAR XT5 用于民用的超级计算机

“JAGUAR（美洲豹）”超级计算机系统隶属于美国能源部，坐落于美国橡树岭国家实验室。“JAGUAR XT5”系统由美国国家科学基金会出资、Cray公司建造、田纳西大学和国家计算科学研究院共同拥有。它曾在2010年6月的TOP500排行榜中排名第一。“JAGUAR”是一台民用计算机，采用AMD Magny-Cours核心六核Opteron 处理器，其最大计算能力为1.75 petaflop/s。主要用于模拟气候变化、能源产生以及其他基础科学的研究。

4.曙光星云采用自主设计的HPP体系结构

“星云”坐落于我国深圳国家超级计算机中心。“星云”系统运算峰值达到3 petaflop/s，最大计算性能1.271 petaflop/s，并且是中国第一台、世界第三台实现双精度浮点计算超千万亿次的超级计算机，且其单位耗能所提供的性能达到了4.98亿次/瓦。“星云”超级计算机采用自主设计的HPP体系结构，由4640个计算单元组成，采用了高效异构协同计算技术，系统包括了9280颗通用CPU和4640颗专用GPU组成。计算网络采用了单向40Gbps QDR Infiniband技术，核心存储采用了自主涉及的Parastor高速IO系统。

5.Tsubame 2.0 加入多种新硬件技术

Tsubame 2.0超级计算机是东京工业大学和NEC、HP联合推出的。Tsubame 2.0的速度是Tsubame 1.0的30倍，这款超级计算机配置2816颗Intel Westmere 处理器和4224颗NVIDIA Tesla M2050 GPU，并加入了DRAM和SSD等新硬件产品并采用Linux和Windows双系统。现在东京工业大学正着手制定Tsubame 3.0的计划。

6.Cielo 为国家级实验室计算提供支持

在西班牙语中Cielo是“天空”的意思。Cielo现今为Los Alamos、Sandia以及Livermore三个国家级实验室提供计算支持。Cielo超级计算机基于Cray公司下一代的Baker架构，并使用AMD最新的Magny-Cours架构处理器，计算节点方面

Cielo则采用双子星相互连接。

7.Pleiades 独有的Lustre文件系统

Pleiades超级计算机系统为位于美国加利福尼亚的NASA Ames研究中心提供计算支持。Pleiades由4核Harpertown和6核Westmere构成，内核数为81920个。同时网络连接架构使用infiniband方式。Pleiades的最大计算能力达到1.09 petaflop/s。并使用了超级计算机特有的Lustre文件系统。

8.HOPPER 以海军女少将命名的超级计算机

HOPPER超级计算机系统是以美国海军女少将Grace Hopper的名字命名，Grace Hopper也是软件及编程语言的先驱者。现今HOPPER位于劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心。HOPPER采用了Cray XE6系统单元，包含AMD 十二核心的Opteron 6172处理器，总共具备153408个内核，最大运算能力达到了1.05petaflop/s。

9.Tera-100 欧洲大陆最强的超级计算机

Tera-100是目前欧洲计算最强的超级计算机。Tera-100系统的理论峰值性能为1.25Petaflop/s，最大计算性能约为1Petaflop/s。Tera-100去年3月完成搭建，5月26日正式加电启动。Tera-100由4300个bullxS系列服务器组成。系统部署了140000颗Intel Xeon7500处理核心，内部存储器容量为300TB，外部存储器容量达到了20PB，全局文件系统的吞吐量为500GB/s。Tera100将被用于法国核武器模拟项目。

10.Roadrunner 混合式超级计算机

坐落于美国Los Alamos实验室的Roadrunner超级计算机系统曾在2008年6月的TOP 500排行榜名列首位。它也是全球第一个运算能力超过1 petaflop/s的超级计算机系统。Roadrunner也是全球第一台采用Cell处理器的混合式超级计算机。为了确保不同核心并行高效的处理数据也需要三种不同的编程语言。Roadrunner主要由Play Station 3游戏机的Cell宽带引擎和AMD x86处理器构建。Roadrunner拥有130536个计算核心，包括12960颗Cell引擎的116640个PPE 和SPE核心，以及6948颗双核AMD Opteron处理器。

6、我国超级计算机中面临的挑战

尽管中国在超级计算机的研发上有了重大飞跃，但仍有一些领域亟待提高。目前中国研发的超级计算机采用部分国产CPU处理器，但仍以国外的CPU和GPU 为主。“天河一号”的核心部件很大一部分来自美国的厂商。天河系统的知识产权是中国自主开发和拥有的。但电脑中很多核心部件都还使用的是由美国公司制造的产品，包括7168个由美国英伟达公司生产的图像处理器GPU。

“天河一号”在2010年换上了部分采用了国防科技大学自主研制的“飞腾－1000”CPU芯片，但“天河一号”的CPU和GPU大部分都还采用美国的产品。虽然中国这几年也在加快对计算机芯片的研发，例如，中芯、龙芯等，然而中国

主打的超级计算机无论是部分采用还是全部采用国外产品，都说明了中国生产的计算机核心部件还难以达到像美国一样，在超级计算机中独当一面的水准。

“天河一号”在世界超级计算机中排名第一，确实标志着中国在这个领域进入了世界的“第一集团”。不过中国超级计算机还仅仅用于科研、军事等少数几个领域，对工业研究、生产、经济增长带动力较弱，应用程度还远低于美国等发达国家。单凭一台理论上运算速度峰值的计算机还远不足以令美国陷入所谓的“不安”。但各国在超级计算机方面的激烈竞争确实有可能为美国带来一定压力和研发动力——那么赢家将会是全人类。

7、小结

全球超级计算机已经取得了瞩目的成就，但是仍有很多问题需要克服，比如超级计算机的耗能问题，一台只配置中央处理器处理核心的亿亿级超级计算机耗能约20亿瓦特，相当于一个中等规模的原子能核工厂的耗能，降低能耗将成为研究人员考虑的要点，软件设计业需要提高，由此看来，全球超级计算机的发展还有很长的路要走。