超級(jí)計(jì)算機(jī)的進(jìn)展與評(píng)價(jià)

摘 要：超級(jí)計(jì)算機(jī)，又稱高性能計(jì)算機(jī)，是衡量一個(gè)國家綜合國力的重要標(biāo)志，也是國家信息化建設(shè)的根本保證。發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，解決國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、國防建設(shè)等方面一系列具有挑戰(zhàn)性的問題，并促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此綜述首先介紹了世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用情況，并從性能、應(yīng)用等方面對(duì)其做出評(píng)價(jià)；其次對(duì)中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)做了具體的認(rèn)識(shí)與分析；最后根據(jù)目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用狀況，預(yù)測(cè)了超級(jí)計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：超級(jí)計(jì)算機(jī)；高性能計(jì)算機(jī)；FLOPS；超級(jí)計(jì)算機(jī)的進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TP338.4

超級(jí)計(jì)算機(jī)是一個(gè)計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)，它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計(jì)算能力來處理大型計(jì)算問題[1]。衡量高性能計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)主要是看其計(jì)算速度，即每秒多少次浮點(diǎn)操作數(shù)，符號(hào)記做FLOPS（floating-point operations per second）。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，超級(jí)計(jì)算機(jī)在世界上已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，并且有了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)就世界及中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的一些情況，綜述如下。

1 世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的進(jìn)展

1.1 世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展情況。從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，計(jì)算機(jī)就開始應(yīng)用于各種商業(yè)領(lǐng)域，為了區(qū)別這種“通用計(jì)算機(jī)”，人們將專門針對(duì)科學(xué)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)被稱為“高性能計(jì)算機(jī)”，或者叫超級(jí)計(jì)算機(jī)。世界超級(jí)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商有Intel、IBM、NEC、Cary等，中國有聯(lián)想、曙光、浪潮等。1964年誕生的CDC6600被公認(rèn)為世界上第一臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度為1M-FLOPS。70年代初研制成功的STAR-100向量機(jī)，是世界上最早的向量機(jī)。人們把20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的向量機(jī)看做是第一代高性能計(jì)算機(jī)。通過在計(jì)算機(jī)中加入向量流水部件，可以大大提高科學(xué)計(jì)算中向量運(yùn)算的速度，其中比較著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列向量機(jī)，中國有代表性的向量機(jī)是銀河一號(hào)及中科院計(jì)算所的757計(jì)算機(jī)[2]。在此之后到20世紀(jì)90年代，世界超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了其發(fā)展的鼎盛時(shí)期，其代表機(jī)型如1976年Cary公司的Cary-1；1985年Cary-2；1990年SX-3等。自20世紀(jì)90年代至今，是超級(jí)計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展期，其代表機(jī)型如1988年BBN公司的TC200；1992年Intel公司的Paragon；1994年IBM公司的SP2；1996年SGI公司的Origin2000等等。

世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的排名每年進(jìn)行兩次，目前最新Top10的排行榜如表1。

表1 2009年6月世界超級(jí)計(jì)算機(jī)Top10

名次型號(hào)生產(chǎn)商計(jì)算速度

1RoadrunnerIBM每秒1.105千萬億次

2Jaguar –Cary XT5 Cary每秒1.059千萬億次

3Jugene-BlueGene/P SolutionIBM每秒1.002千萬億次

4Pleiades-SGI Altix ICE8200EXSCI每秒608.8萬億次

5BuleGene/LIBM每秒607.2萬億次

6Kraken XT5Cary每秒596.3萬億次

7Blue Gene/P SolutionIBM每秒579.3萬億次

8Ranger-SunBlade x6420Sun每秒557.1萬億次

9Dawn-Blue Gene/P SolutionIBM每秒501.3萬億次

10JUROPA-Sun ConstellationDull SA每秒308.3萬億次

1.2 世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。超級(jí)計(jì)算機(jī)是世界高新科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用大規(guī)?？茖W(xué)與工程的計(jì)算，包括航空航天、裝備研制、金融領(lǐng)域等。目前，全球90%以上的高性能計(jì)算機(jī)用作服務(wù)器，主要安裝在商業(yè)、金融、通信、國防、政府等部門，用于商用計(jì)算、事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。這類計(jì)算機(jī)對(duì)保障金融安全、通信安全，推進(jìn)尖端武器研發(fā)等具有重要作用。隨著軟硬件技術(shù)能力的提高，高性能計(jì)算機(jī)正日益走向普及，從通信、金融、軍工、氣象等大企業(yè)的高端應(yīng)用逐步走向中小企事業(yè)單位的普及型應(yīng)用。

1.3 世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)。世界超級(jí)計(jì)算機(jī)的高端科技主要集中在發(fā)達(dá)國家，如美國、日本等。他們利用其雄厚的技術(shù)力量，以廣泛應(yīng)用到國防、軍事、商業(yè)等各行各業(yè)，并極大的促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步，給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的進(jìn)展

2.1 中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展情況。1959年9月，中國國家科學(xué)院計(jì)算技術(shù)所成功研制出我國第一臺(tái)大型通用計(jì)算機(jī)，104計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)它的計(jì)算速度是每秒1萬次，在我國第一顆原子彈的理論射擊和研制中發(fā)揮了重要作用。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，在國家“863計(jì)劃”的支持下，我國的超級(jí)計(jì)算機(jī)得到了飛速的發(fā)展，并成功研制推出多種高性能的計(jì)算機(jī)，具體情況如表2，中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展年譜。2008年，聯(lián)想“深騰7000”和“曙光5000A”百萬次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制成功并進(jìn)入了世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500的排行榜[3]。而且曙光5000A在2008年成功躋身于世界超級(jí)計(jì)算機(jī)top10。

據(jù)2009年10月底最新消息顯示，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)已研制成功我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——“天河一號(hào)”，它的系統(tǒng)峰值性能達(dá)到每秒1206萬億次。有關(guān)專家認(rèn)為，“天河一號(hào)”的誕生，是我國高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的又一重大突破，實(shí)現(xiàn)了我國自主研制超級(jí)計(jì)算機(jī)從百萬億次到千萬億次的跨越，使我國成為世界上繼美國之后第二個(gè)能夠研制千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的國家，也是第一個(gè)能夠研制千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展中國家，具有重要的歷史意義。

到目前為止，中國是繼美國、日本之后的第三大超級(jí)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)國。

表2 中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展年譜

型號(hào)面世時(shí)間每秒運(yùn)算速度

104計(jì)算機(jī)1959年1萬次

銀河—Ⅰ1983年1億次

曙光一號(hào)1992年6.4億次

銀河—Ⅱ1993年10億次

銀河—Ⅲ1997年130億次

神威—Ⅰ1999年3840億次

深騰68002003年5萬億次

曙光—4000A2004年11萬億次

神威3000A2007年18萬億次

深騰70002008年106.5萬億次

曙光—5000A2008年230萬億次

天河一號(hào)2009年10月千萬億次

2.2 中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。超級(jí)計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，可以給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，至今為止，我國的超級(jí)能計(jì)算機(jī)在研究與應(yīng)用已取得了一些成功，它不僅廣泛應(yīng)用與軍事國防、金融、政府、通信等領(lǐng)域，并也在商業(yè)、科技、生產(chǎn)等各種大中型企業(yè)單位得到了推廣。目前已經(jīng)規(guī)劃的應(yīng)用包括生物醫(yī)藥領(lǐng)域、科學(xué)數(shù)據(jù)庫、汽車研制方面、船舶設(shè)計(jì)、石油開采領(lǐng)域、航天科技領(lǐng)域、氣象預(yù)報(bào)、自然資源考察和遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域[4]。

例如東方石油公司目前勘探的石油占全世界石油市場(chǎng)的25%，他們依靠的就是用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行物探計(jì)算，計(jì)算機(jī)能力上去了，業(yè)務(wù)就發(fā)展起來了，這就是生產(chǎn)力，從這一點(diǎn)上來說高性能計(jì)算機(jī)是發(fā)展先進(jìn)生產(chǎn)力很重要的組成部分。再如中科院青島生物能源與過程研究所利用超級(jí)計(jì)算機(jī)來研究最新的生物能源，此系統(tǒng)主要用于基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝物組等生物學(xué)信息的高通量獲取、處理、存儲(chǔ)、注釋、模擬和分析；代謝工程中代謝通量和細(xì)胞活動(dòng)的分析與模擬；酶工程中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其與其他分子之相互作用的解析和模擬；復(fù)雜工程反應(yīng)過程和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與模擬等。另外，超級(jí)計(jì)算機(jī)能計(jì)算航空航天工業(yè)中的數(shù)字風(fēng)洞，可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短研制周期，節(jié)約研制費(fèi)用；利用超級(jí)計(jì)算機(jī)做氣象預(yù)報(bào)和氣候模擬，對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象及災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)警，例如國慶60周年期間，國家氣象局利用國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)，對(duì)北京地區(qū)進(jìn)行了集合預(yù)報(bào)、中尺度預(yù)報(bào)和短期天氣預(yù)報(bào)，取得了良好的預(yù)報(bào)結(jié)果；此外，在生物醫(yī)藥、生物信息學(xué)、船舶設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)和碰撞模擬以及三峽工程施工管理和質(zhì)量控制等領(lǐng)域都有高性能計(jì)算機(jī)成功應(yīng)用的實(shí)例。

總得說來，中國的超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的推廣，以便給國家和社會(huì)帶來更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 中國超級(jí)計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)。在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，我國與世界先進(jìn)水平還有相當(dāng)大的差距。這主要表現(xiàn)在：（1）迄今為止，進(jìn)入世界500強(qiáng)排行榜的國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)總數(shù)只有區(qū)區(qū)10臺(tái)，而且這些計(jì)算機(jī)主要是靠五年一期的國家科技計(jì)劃支持研制的，沒有形成持續(xù)均衡發(fā)展的態(tài)勢(shì)；（2）國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用面還不夠廣泛，目前主要應(yīng)用在科學(xué)工程計(jì)算領(lǐng)域，金融等領(lǐng)域，而且超級(jí)計(jì)算機(jī)所需的高端服務(wù)器和大型機(jī)主要從國外進(jìn)口，這不僅花費(fèi)國家巨額資金，而且難以保證數(shù)據(jù)和信息的安全性；（3）國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)規(guī)模和國內(nèi)市場(chǎng)份額還很小，與我國的國際經(jīng)濟(jì)地位相比，顯得有些不平衡；（4）我國高性能計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵元器件，特別是中央處理器芯片目前仍依賴國外廠商[5]。

3 超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，超級(jí)計(jì)算機(jī)將會(huì)有更大突破。我國制定的一系列超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略，如加大了人才的培養(yǎng)力度等，相信我國超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展會(huì)在機(jī)遇和挑戰(zhàn)中獲得更大的進(jìn)步，力爭趕上并超過發(fā)達(dá)國家。就超級(jí)計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨勢(shì)來看，在性能方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)將會(huì)朝著低耗能、低成本的方向發(fā)展；在應(yīng)用方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)將會(huì)逐步滲透到中小企業(yè)領(lǐng)域，從而極大地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。

4 結(jié)語

超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制是一項(xiàng)非常復(fù)雜的、系統(tǒng)性的工程，提高超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能還有許多關(guān)鍵問題有待解決。比如，超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐能力以及高效率工作的問題等等。盡管我國已經(jīng)能夠制造幾百萬億次級(jí)的高性能計(jì)算機(jī)，但是超級(jí)計(jì)算機(jī)的整體水平與美國、日本和歐洲發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大的差距[6]。因此進(jìn)一步發(fā)展和提高我超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平及應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]樊建平，陳明宇.高性能計(jì)算機(jī)研究的現(xiàn)狀與展望[J].信息技快報(bào)，2003，1（5）.

[3]曹來發(fā)，賈成科.我國巨型機(jī)的發(fā)展概述[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2005，1.

[4]劉柏，王文海，于智.高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與我國發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)遇到的問題[J].廣西輕工業(yè)，2006，6.

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[6]錢德沛.我國高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景及發(fā)展中的問題[J].中國信息導(dǎo)報(bào)，2005，10.

作者簡介：鐘焱（1984.6-），女，江西萍鄉(xiāng)人，助講，碩士，研究方向：科研管理。

作者單位：長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院 長沙 410000