浅谈超级计算机及其发展

夏江婷

摘 要：随着神威太湖之光登上世界超算之巅，我国的超级计算机在世界范围内再次大放异光，超级计算机作为信息化发展的重要载体，对科学发展，国防建设及经济发展都具有极为重要的作用。而且它对气候，生命科学，航天等领域都有很强的推动作用。我国的超级计算机已经实现了芯片自主研制。目前超算基本采用多运算机柜和多网络机柜进行系统运算。随着大数据时代的到来，超级计算机将会配合云计算等发挥其重要作用。

关键词：超级计算机；神威太湖之光；大数据

中图分类号：TP387 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0024-02

1 超級计算机简介

1.1 超级计算机简介

超级计算机是指相对于我们的个人计算机而言，它可以进行极高速度的运算和巨大量的数据资料处理，它的基本组成与个人计算机没有很大差别，但规格上大了许多倍，其特点是高速度和大容量。从硬件上来说，它配备丰富的外部接口设备，从软件上说，它的软件系统极为丰富而且功能强大。衡量高性能计算机的水准主要是看其计算速度，即每秒多少次浮点操作数。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上。

随着互联网和人工智能的发展，大数据时代即将来临，云储存和云计算的发展也日新月异，而超级计算机的高速度和大容量正好契合大数据技术所需的条件，因此，在未来的发展中，大数据技术将会和超级计算机相互促进，共同发展，其前景十分开阔。不仅如此，超级计算机在其他领域的应用也非常泛，如气候环境，医疗，国防等。超级计算机的发展水平可以作为一个国家信息化发展的衡量标准，它也是综合国力的一个标志。

1.2 超级计算机发展背景

超级计算机是1929年《纽约世界报》中最先报道出的一个名词，它是将大量的处理器集中在一起以处理庞大的数据量，同时运算速度比常规计算机快许多倍。但是从结构上看，超级计算机和普通计算机都是大同小异的，而这种并行化处理使得人们可以对庞大数据进行处理，进而影响到各个行业运行，其意义十分重大，1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机，突出表现一国科技实力的超级计算机，堪称集万千宠爱于一身的高科技宠儿，在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核业、军事、航天等高科技领域大展身手，让各国科技精英竞折腰，各国都在着手研发亿亿级超级计算机。

一般来说，超级计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；存贮容量在1000万位以上。如美国的ILLIAC-Ⅳ，日本的NEC，欧洲的尤金，中国的“银河”计算机，就属于巨型计算机。巨型计算机的发展是电子计算机的一个重要发展方向。它的研制水平标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度，体现着国家经济发展的实力。一些发达国家正在投入大量资金和人力、物力，研制运算速度达几百万亿次的超级大型计算机。

自2009年我国国防科技大学发布峰值性能为每秒1.206千万亿次的“天河一号”超级计算机，我国成为美国之后第二个可以独立研制千万亿次超级计算机的国家。尤其2016年神威太湖之光的出现，更是标志我国进入超算世界领先地位。超级计算机可以代表一个国家在信息数据领域的综合实力，甚至可以说影响到国家在世界科学技术上的地位，不仅如此，超级计算机的实际应用也相当可观，在大数据时代即将到来之际，超级计算机更是担负着巨大责任。因此对超级计算机的研究是非常有必要的，非常关键的。

2 超级计算机技术

2.1 天河一号

天河一号是我国第一个走向世界领先地位的超级计算机，在结构上采用CPU和PU相融合的架构体系，在处理器方面采用飞腾处理器和因特尔处理器。此外还有服务阵列和存储阵列。从软件上说，它主要包含程序开发环境和操作系统。此外还包括编译系统。

天河一号超级计算机大部分部件是我国自主研发的，其性能和能耗都达到了世界领先水准，另外它还提供基于隔离的用户安全工作环境；提供统一的全系统资源管理视图，友好的系统管理使用界面，一体化的并行应用集成开发环境和虚拟的网络计算环境。

系统容错性能是评价超级计算机系统的重要指标。在“天河一号”软硬件规划中，专门设计了监控诊断子系统，采用分布式集中管理结构，实现全系统的实时安全监测、系统控制和调试诊断等功能。另外还建立了多层容错技术，通过操作系统的检查点功能、资源管理的任务级和作业级容错技术，以及容错并行算法和断点续算功能，有效提高了系统的可靠性。

2.2 神威太湖之光

神威太湖之光系统的全部核心部件都实现了国产化，在2016年的世界超算排名中运算速度位列第一，而且其功耗比也位列第一。它所使用的中央处理器是上海高性能集成电路设计中心自主研制的芯片申威26010。由四个核心组构而成，采用28纳米工艺，主频率1.45GHZ，此核心组的主要功能是计算，整个芯片共有260个核心。

神威太湖之光的冷却系统采用定制化液体水冷单元和全封闭式循环水冷系统，它为高速度的运算提供良好的运行环境，在整个系统中起到相当重要的作用。就操作系统而言，神威太湖之光采用的是国产化的神威睿思操作系统，并且针对多核处理器配备了丰富的编译工具，基础数学库和自动化量化工具。神威太湖之光共有40个机柜，机柜下面按照树状结构分为超级节点板和节点卡，每个上面都装有内存。

3 超级计算机发展应用现状

超级计算机目前已经在各行业进行了一定应用，如图1所示，我们重点对天梯物理，气象及生物医疗方面做简单介绍。

3.1 天体物理方面应用

一般在天体物理的研究中需要进行大量复杂的运算模拟以及演化，在这个条件下，超级计算机可以很好发挥它的优势，目前已经有应用较为成功的例子。日本东京大学的研究人员进行黑洞模拟。在其模型中，银河系包含786432个等质量的恒星，黑洞用占整个系统质量1%的三个质点建模。美国密歇根大学的研究人员采用BATS-R-U程序对太阳风、磁气圈以及冠状物质喷射的效应进行模拟，求解非相对论的、可压缩的等离子体方程（结合了欧拉气动方程和麦克斯韦电磁方程组）。随着人们对宇宙研究的深入，超级计算机将会在天体物理方面运用更广。endprint

3.2 气象方面应用

气象方面是超级计算机应用的经典领域，尤其是数值天气预报和海洋动力学中间。如美国加利福尼亚大学用超级计算机模拟厄尔尼诺现象十周年，取得了大量有用的信息。美国加州工学院喷气推进实验室地球与空间科学分部对一个海洋环流模型程序进行测试，运行效率是单处理器时250倍左右。气候问题一般涵盖大量数据处理及分析，这正是超级计算机的优势所在。

3.3 生物医学方面

生物信息学成为超级计算新的应用领域，如人类基因组测序过程中产生的海量数据处理就离不开超级计算机。在医学领域，利用超级计算机来模拟人体各个器官的工作机理及人体内各种生化反应等。该领域的应用实例有： 美国杜克大学利用计算机模拟心脏中的波阵面传导。随着仿生学和人工智能的发展，超级计算机在生物医学方面将会应用更广。

除此之外，超级计算机还是世界高新科技领域的战略制高点，可以广泛应用大规模科学与工程的计算，包括航空航天、装备研制、金融领域等。目前全球以上的高性能计算机用作服务器，主要安装在商业、金融、通信、国防、政府等部门用于商用计算、事务处理、数据库应用、网络服务等。这类计算机对保障金融安全、通信安全，推进尖端武器研发等具有重要作用随着软硬件技术能力的提高，高性能计算机正日益走向普及，从通信金融。军工、气象等大企业高端应用逐步走向中小企事业单位的普及型应用世界超级计算机的评价。世界超级计算机的高端科技主要集中在发达国家，如美国、日本等。他们利用其雄厚的技术力量，以广泛应用到国防军事、商业等各行各业，并极大的促进了社会的进步，给社会带来了巨大的经济效益和经济效益。

4 超级计算机存在的问题

现行的超级计算机虽然已经取得了很大成就，但仍然显现出许多问题，比如体积非常大，不易移动式操作，另外从结构上去考虑，它的工作方式仍然较为传统，没有突出的创新点，并行处理的方式虽然可以解决大数据运算的问题，但其本身不够灵活，运算较为笨重，我们希望在未来的发展中，可以改进超级计算机的核心架构和工作方式，从而解决现行并行处理带来的一系列弊端，当然这个过程是相当困难的。另一方面，虽然神威太湖之光超级计算机的能耗已经是同类计算机中很低的了，但实际上，它所耗费的能源仍然是相当巨大的，我们如果要广泛利用超级计算机来配合大数据技术的发展，那么我们还必须考虑到能耗降低的问题。

5 超级计算机发展前景

大数据时代的到来，超级计算机将会在未来信息化发展中大放光彩，首先是它和云计算，云储存联系在一起，为大数据技术的发展提供保障。未来超级计算机很可能会发展为共享服务器云计算的形式，发挥它极强运算速度和大批量数据处理的优势。另一方面，超级计算机本身的架构和组件方式可能也会有很大改变，尤其体现在体积的缩小，运行的轻量化，成本的缩小化。未来它将不仅仅是作为国家战略的一种存在，而且会涉入商业领域，如此会更加刺激它的发展。

超级计算机作为一个国家信息化的一种重要体现，首先将会在国防科技，工业化，航天卫星等领域发挥重要作用，其次它会在诸如气象，物理，探测等领域显现出它的优势。依靠强大的数据处理能力和高速的运算能力，未来的超级计算机将会是大数据时代的重要工具。而且会进一步普及到我们的具体生活中来，为我们的社会发展做出巨大贡献。

参考文献

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