超级计算机现状和发展趋势PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,超级计算机现状,与发展趋势,目录,一,.,什么是超级计算机,二,.,超级计算机的发展历程回顾,三,.,超级计算机的应用,四,.,下一代的超级计算机,序,处于信息技术前沿的超级计算机一直是一个国家的重要战略资源,对国家安全,、,经济和社会发展具有举足轻重的意义,.,超级计算,(SUPERCOMPUTING),、,高性能计算,(High Performance Computing,HPC),的话题在近两年来是一年比一年热,不仅是因为国内市场上曙光,、,联想,、,浪潮等企业加大了投入和市场宣传,使广大用户能有更多机会去了解这些深不可测的庞然大物,;,而从全球的发展趋势中,高性能计算机系统,(,或超级计算系统,),角逐激烈,从万亿次,(Teraflops),到十万亿次,甚至到千万亿次,(peraflops),计算性能峰值的增长越来越快,.,序,在传统的气象分析,石油勘探,、,核实验模拟,、,蛋白质折叠等超级计算应用之外,我们还看到与我们生活息息相关的高性能计算应用,包括汽车制造设计,电影动画模拟,药物研究及国家网格构建,.,可毫不夸张地说,我们每一个人都在享受着高性能计算的直接或间接的服务,一、什么是超级计算机,根据美国能源部劳伦斯,.,伯克利国家实验室对,超级计算机,(HPC),的定义,:,HPC,是由,8,个或更多的计算机节点组成，作为单个高性能机器工作的集群。,通俗地讲，,超级计算机,就是能够进行大规模超速运算的计算机。,二,.,超级计算机的发展历程回顾,“巨型机之父”,西蒙,.,克雷,从真正意义上来说，研制出符合超级计算机定义产品的人应是,西蒙,.,克雷（,S.Cray),博士,此人后来被西方称为,”,巨型机之父,”,.1963,年,他研制出世界上第一台巨型机,CDC6600,该共安装了,35,万个晶体管,运算速度为,1MFLOPS.,在这以后,巨型机走过了五代,即,单芯片系统,、,向量处理系统,、,大规模并行处理,(MPP),体系,、,共享内存结构和机群系统,(CLUSTER).,超级计算机的日渐火爆也吸引了软件巨头微软,.,最近微软件表示他也要涉足,HPC,领域,已独立成立了,“,高性能计算,”,部门,并计划针对,HPC,开发一款,”,Windows Server HPC Edition,”,的新版本操作系统,.,超级计算机的五代,结构,典型代表,第一代,单芯片系统,CDC7600,IBM360,第二代,向量处理系统,Cray XMP,Cray YNP,NEC SX2,和我国的银河一号,银行二号,第三代,大规模并行处理,(MPP),体系,IBM SP2,Intel Paragon,和我国的曙光,2000,3000,等,第四代,共享内存结构,SUN E10000/15000,SGI Origin 2000/3000,和我国的银河三号,神威一号等,第五代,机群系统,(CLUSTER),国外的”雷鸣”,.”,闪电”,”,红色风暴”和国内的曙光,4000,系列,联想,1800/6800,浪潮天梭,TS10000,巨星,10000,等,.,冯,.,诺依曼体系超级计算机架构图,P,M,PPP,PPP,PPP,M,P,P,P,P,M,P,P,P,P,System Area Network,M,M,M,M,单处理器架构,向量处理器架构,共享内存多处理器架构,分布内存多处理器架构,关于机群,(CLUSTER),架构,根据,TOP500,官方网站的资料统计,在荣登榜名的系统中,有,320,套使用,INTEL,的处理器,54,套使用,IBM POWER,处理器,48,套采用,HP PA-RISC,采用,AMD,处理器的有,31,套,.,在,TOP500,中,有,296,套系统采用了机群系统,.,占了,49.8%.,在前,10,名的系统中,机群系统占了,7,个,.,机群系统采用,普通商业芯片和内连技术,.,关于机群,(CLUSTER),架构,机群架构脱胎于早年的大规模并行处理,(MPP,Massive Parallel Processing).,它大受青睐的原因是其经济性和公开性,与,MPP,不同之处是,它一般采用廉价的普通服务器为运算节点,小规模的系统一般用以太网内连,外加免费公开的操作系统,LIUNX,和并行编程接口,MPI.,使超级计算机的造价告别了天文数字,应用足迹也能涉足千家万户,.,但因机群系统大量使用,IA,服务器,随着节点数的增加,其耗能和散热问题严重,可管性和可用性和可持续运算能力大大降低,.,按目前技术水平,很难做到一万个节点以上,.,联想“深腾,6800”,超级计算机,联想“深腾,6800”,超级计算机,是国家,“,863,”,高科技计划设立的,“,高性能计算机及核心软件,”,重大专项中,“,面向网格的高性能计算机,”,课题项目,于,2003,年,11,月研制成功,名列第,22,届,TOP,排列榜的第,14,名,.,它包括,256,个四路结点机,1060,个主频为,1.3G,的安腾,2,处理器芯片,内存总容量,2.6TB,磁盘容量,80TB.,其高速网络是,Quadrics,公司的产品,QsNet,点对点通信带宽,300MB,峰值浮运算速度,5.324,万亿次,.,联想,“,深腾,6800,”,超级计算机已成功用于天气预报,石油地震资料处理,核能开发应用,计算流体力学,基因与蛋白分析和材料科学等,20,多项应用,.,全球超级计算机,500,强前,14,名排名,排名 安放地点 超级计算机,/,制造公司,1,日本,NEC,公司 地球模拟器,65,万亿次,/,秒,2,美,Los Alamos,国家实验室,ASCI Q-AlphaServer(,惠普),3 美维吉尼亚理工大学,X(,维吉尼亚理工大学),4 美国家超级计算机应用中心,Tungsten(,戴尔,),5,美西北太平洋国家实验室,Mpp2(,惠普),6,美,Los Alamos,国家实验室,Lightning(Linux NetworX),7,美劳伦斯利弗莫尔,国家实验室,MCR LinuxCluster Xeon 2.4GHz,8,美劳伦斯利弗莫尔,国家实验室,ASCI White(IBM),9,美能源部超级计算中心,Seaborg(IBM),10,美劳伦斯利弗莫尔,国家实验室,XseriesClusterXeon 2.4GHZ(IBM),11,日本宇宙航空研究实验室,PRIMEPOWER(,富士通,),12,美匹兹堡超级运算中心,AlphaServer SC46(,惠普),13 美国国家大气研究中心,Pseries 690 Turbo 1.3GHz(IBM),14,中国科学院 深腾,6800(,联想,),4,万亿次,/,秒,(2003.11),详见,TOP100,和,TOP500,从,1992,年开始,美国在杰克,.,唐加拉,(Jack Dongarra),教授等人的发起下,开始用,Linkpack,线性代数方程包,对各种超级计算机的性能进行测试,并将测试结果按速率大小排名,这就形成了全球,TOP500,超级计算机的排名,每半年排一次,分别于当年,6,月的德国和,11,月在美国举行的全球超级计算大会上发布,.,我国从,2002,年起,在孙家昶教授带领下,也开始了每年一度对中国的,TOP50,TOP100,高性能计算机系统进行排名,也用,Linkpack,实测值为依据进行排名,.,用,注,:Linkpack,是广泛使用的测试超级计算机综合性能的基准程序,主要是解一个,N,元,N,次的线性代数方程组,它的计算主要集中在,CPU,的处理上,.,排名世界第十的曙光,4000A,2004,年,11,月,世界排名第十的曙光,4000A,在上海启用,运算速度高达,10,万亿次,/,秒,.,该机属集群式超级计算机,是由,AMD,公司与曙光信息产业有限公司联合开发,它采用超过,2000,颗,64,位的,AMD Opteron 800,系列处理器,运算速度高达,10,万亿次,/,秒,内存容量超过,2TB,内部网络速度将超过,2Gb/s,机器的规模面积达四分之一足球场大小,.,曙光,4000A,曙光是中国超级计算机的鼻祖,.,是中科院计算所国家智能计算机研究开发中心与曙光公司联合开发的,.,面向网格的超级计算机项目,.,首先面世的,4000L,由,40,个机柜组成,644,个,CPU,峰值浮运算速度,3,万亿次,/,秒,644GB,内存,100TB,磁盘,.,去年,6,月,世界排名第十的曙光,4000A,在上海启用,运算速度高达,10,万亿次,/,秒,.,目前已成功运行证券指数计算,电力安全评估,建筑工程抗震性评估和汽车碰撞等领域的,20,多项应用,.,应用领域,台数,份额,R,MAX,(GF/S),R,PEAK,(GF/S),处理器数,科学计算,29,29%,10240.18,15020.76,4912,金融保险,21,21%,2383.98,3671.3,1168,电信,16,16,2097.89,3671.3,1012,能源,7,7,2250.54,5810.48,1232,工业,7,7,759.52,1139.4,400,生物信息,3,3,1112.3,1724.88,356,中国,TOP100,应用领域分布,(,信息来源,:,中国软件行业协会数学软件分会,),气象,2,2,155.5,265.6,50,三,.,超级计算机的应用,目前对于超级计算机需求飞速增长的行业主要是在生物信息学方面,.,传统行业,如能源,(,石油,核技术,),、,空气动力学,、,战略武器的研发方面仍有较强的需求,.,1.,超级计算机在航天飞行器设计中的应用,(1),科学计算,:,要完成目前风洞试验无法进行的课题,.,如风洞试验的马赫数比实际飞行的低,就要靠数值方法来补推,还有上百成千个弹道计算也要全靠计算机完成,.,(2),数据库建设,:,用于改进设计的定量分析和新飞行器的定量分析,大大缩短飞行器的设计周期,减少风洞试验次数,.,(3),计算机辅助设计,:,如波音,757,飞机,几乎所有的空气动力方面的设计都用计算机,.,(4),计算机仿真,:,用计算机模拟实际飞行和对抗,.,据权威人士介绍,要用计算机代替风洞进行数值模拟,需要具有,1000MB,的内存容量,10,10,10,11,次,/,秒的计算机,.,三,.,超级计算机的应用,2.,在地震勘探中的应用,(1),地震勘探,:,地球物理勘探是对地下作间接的测量,弄清地质构造,寻找碳氢化合物,.,在地震勘探中,用可控方法产生弹性波场,(,可近似看作为声波,),传入地下,因地下介质的非均匀性,被散射到地面检波器阵列,记录在磁带上,.,地面检波器阵列一般有,481024,个检波器,每个检波器每,12,毫秒记录一个采样点,每个样点,16,位,记录时间长度为,315,秒,因此,每个记录长度达,24,万,7200,万字节,.,(2),地震数据处理,:,是一个十分复杂的数据转换过程,一般地震数据处理系统均包含,200300,个应用程序,每个应用程序包含几千行至几万行,FORTRAN,源语句,计算量很大,.,三,.,超级计算机的应用,(3),向量处理,:,地球物理中,许多算法可向量化,.,(4),并行处理,:,(5),输入,/,出,:,用于地震数据的汇集,处理和存储,.,下面几个领域,只有超级计算机才能胜任,:,交互地震处理,三维地震处理,迭前三维偏移,弹性波模型,三,.,超级计算机的应用,3.,在油藏数值模拟中的应用,油藏数值模拟是根据达西定律和物质守恒定律原理把复杂的物理现象抽象成数学问题,然后求该数学问题的解,以便定量地研究不同岩石和不同油,、,气流，在不同开采方式下，油,、,气,、,水的运动规律。,油藏数值模拟的数学问题是一个偏微分方程组,解偏微分方程组大多用有限差分法进行离散化,然后解非线性的代数方程组,这需内存容量大,运算速度快的计算机,.,在油藏数值模拟软件中大量使用线性和非线性的插值技术,当这段程序向量化后,处理效率可大大提高,.,三,.,超级计算机的应用,在油藏数值模拟软件中,另一个问题是解大型稀疏线性方程组,约占整个运算时间的,6080%,这部分程序经向量化后,也大大提高了软件的处理效率,.,三,.,超级计算机的应用,4.,在石油勘探中的应用,中国大庆油田有限责任公司每年能开采大约,5000,万吨原油,是全球领先的石油和天然气生产商之一,.2002,年大庆在石油和天然气探测方面投入,1.8,亿美元,.,公司采用了,129,台基于英特尔至强,(XEON),处理器的双路联想系统,.,配置了,paradig,公司的先进软件,.,大庆预计与专有超级计算机解决方案相比可节省,70%,的成本,.2002,年,在中国黑龙江省发现了拥有,300,亿立方米的天然气储量,.,三,.,超级计算机的应用,5.,在天气预报中的应用,当代衡量一个国家气象业务发展水平,从设备上主要看两项,:,巨型计算机和气象卫星,.,现代天气预报是在第二次世界大战中发展起来的,最初是天气图的主观预报,从上世纪,50,年代开始,出现了用计算机制作,数值天气预报,.,现被公认为最好的天气预报方法,.,早期计算机只能做短期,(3,天,),预报,目前用超级计算机可做中期,(3,天,2,周,),的天气预报,.,(1),中期天气预报的数学模型,:,根据初始时刻的大气状态,即三维的运动速度,u,v,w,和大气温度,T,、,水汽,q,及大气密度,求解下列微分方程组,:,u,u u,u ,t x y p x,u,u u,u ,t x y p y,u,u u ,x y p p,dT ART dp,dt p dt,dq,dt,+u,+v,+w,fv=,+Fx,u,v,+w,+fu=,+Fy,+,+,=0,=,Cp,=Q,=S,三,.,超级计算机的应用,由于该微分方程组无解析解,只能用差分方程求数值解,.,显然,差分采用的分辨率决定了求解方程的精度,.,差分的分辨率提高一倍,计算工作量增加到,16,倍,.,预报,模式,水平,分辨率,垂直,分辨率,时间,步长,积分,范围,预报,天数,求解差分方程组次数,(,万次,),倍数,T,43,L,9,300km,110,毫巴,30,分,半球,5,885,1,T,63,L,16,200km,62,毫巴,18,分,全球,10,23593,26,T,106,L,19,120km,53,毫巴,12,分,半球,10,116736,132,四,.,下一代的超级计算机,下一代的超级计算机应在,:,扩展性,、,性能密度,、,性能能耗比,、,经济有效性,、,整体均衡,、,持续运算能力等方面产生质的飞跃。,性能密度,是指单位空间体积能达到的运算速度。,