servu服务器离线:计算能级：超级计算机1

来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/05/03 04:50:08

  超级计算机

（英语：Supercomputer），指计算能力（尤其是计算速度）为世界顶尖的电子计算机。它的体系设计和运作机制都与人们日常使用的个人电脑有很大区别。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一兆（万亿，非百万）次以上。“超级计算”（super computing）这名词第一次出现是在媒体“纽约世界报”于1929年关于IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机（tabulator）的报导。

1960年代，超级计算机由希穆尔·克雷在Control Data Corporation里设计出来并领先市场直到1970年代克雷创立自己的公司克雷研究。凭着他的新设计，他控制了整个超级计算机市场，并占据颠峰位置长达五年（1985-1990）。到了1980年代，正值小型电脑市场萌芽阶段，大量小型对手加入竞争。在1990年代中叶，很多对手受不了市场的冲击而消声匿迹。今天，超级计算机成了一种由像IBM及惠普等大型电脑公司所特意设计的电脑。虽然这些公司通过不断并购其他公司而增强了自己的经验，但除他们以外的元老公司——克雷研究(Cray)——依然是超级计算机领域的巨头。

克雷-2（Cray 2）－1985年至1989年时全球最快电脑

目录

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  • 1 历史
  • 2 软件
  • 3 用途
  • 4 设计
    • 4.1 挑战与科技
    • 4.2 处理技术
    • 4.3 操作系统
    • 4.4 编程环境
  • 5 通用超级计算机的类型
  • 6 专用超级计算机
  • 7 最快的超级计算机
    • 7.1 速度单位
    • 7.2 计划中的超级计算机
    • 7.3 目前最快的超级计算机
    • 7.4 过往的超级计算机
    • 7.5 类超级运算
  • 8 超级计算机时间线
  • 9 科幻中的超级计算机
  • 10 参考文献
  • 11 参见
    • 11.1 历史及概念
    • 11.2 其他类型
    • 11.3 超级计算机公司及系统
    • 11.4 超级计算机
  • 12 外部连结
    • 12.1 资源
    • 12.2 中心及组织
    • 12.3 通用的超级计算机
    • 12.4 专用的超级计算机

历史

“超级计算机”一词并无明确定义，其含义随计算机业界的发展而发生变化。早期的控制数据公司机器可达十倍速于竞争对手，但仍然是比较原始的标量处理器。到了1970年代，大部分超级计算机就已经是矢量处理器了，很多是新进者自行开发的廉价处理器来攻占市场。1980年代初期，业界开始转向大规模并行运算系统，这时的超级计算机由成千上万的普通处理器所组成。1980年代中叶，将适量的矢量处理器（一般由8个到16个不等）联合起来进行并行计算成为通用的方法。1990年代以后到21世纪初，超级计算机则主要由基于精简指令集（RISC）的处理器（譬如PowerPC或PA-RISC以及Alpha）互联进行并行计算而实行。

橡树岭国家实验室的美洲虎超级计算机

软件

分布式运算所用的软件包括一些标准的应用编程接口（如信息传递接口及并行虚拟机器）及开放源码软件（例如openMosix可以把很多普通的电脑联合成虚拟超级计算器）。

零设定技术方便了即兴创建电脑分布计算网络，而为超级计算机制作容易的编程语言仍然是运算科学的研究课题。

用途

超级计算机常用于需要大量运算的工作，譬如天气预测、气候研究、运算化学、分子模型、物理模拟、密码分析等等。

设计

超级计算机的创新设计在于把复杂的工作细分为可以同时处理的工作并分配于不同的处理器。他们在进行特定的运算方面表现突出，但在处理一般工作时却差强人意。他们的数据结构是经过精心设计来确保数据及指令及时送达——传递速度的细微差别可以导致运算能力的巨大差别。其输入／输出系统也有特殊设计来提供高带宽，但是这里的数据传输延迟却并不重要——超级计算机并非数据交换机。

根据阿姆达尔定律，超级计算机的设计都集中在减少软件上的串行化、用硬体在瓶颈上加速。

挑战与科技

  • 超级计算机常产生高热，需要冷却。冷却是很大的通风空调[1]问题。
  • 资讯传送不能比光快。几米的距离导致几十奈秒的延误，而克雷著名的环型设计保持了最短距离。
  • 超级计算机在短时间耗用及生产大量数据，需要投入很多资源确保资讯妥善传送及访问。

因超级计算机而开发的科技：

  • 矢量处理器
  • 水冷技术
  • 非均匀访存模型（NUMA）
  • 资料分区（RAID）
  • 并行访问档案系统

 处理技术

矢量处理因超级计算机而创建并用于高性能运算。矢量处理技术后来被用于普通电脑内的信号处理架构及单指令流多数据流（SIMD）。例如：电视游乐器、图像卡等。

 操作系统

超级计算机操作系统虽然是UNIX的变种，但比小型电脑的复杂一点。一般都倾向减少开发它的用户接口，因为可以减少浪费资源在不必要的工作上。同样的道理应用到价值几百万的电脑身上。

1980年代初期，超级计算机通常会为了追求性能而牺牲指令集的兼容性及运载速度。它们会使用不同类型的操作系统。雷克－1曾使用6个专属操作系统及并行矢量版本的FORTRAN编译器。

编程环境

超级计算机的并行架构需要特别编程技术来提高速度。Fortran的专门编译器可以产生的源码，运行比C或C++的更快，所以Fortran仍然被选用作科学编程。为了开发超级计算机的并行性都使用紧接分享记忆的并行虚拟器及信息传递接口。

另外，OpenMP常用于共享内存并发系统。

通用超级计算机的类型

大致上可以分为三种：

  • 矢量处理机器能为大量数据同时进行同样的运算。
  • 丛集式处理器特别创建连接处理器及记忆体的通信网络，非均匀访存模型就是最常见的。最快的超级计算机就是使用这个科技。
  • 商品电脑丛集使用高带宽低延误的网络来连接大量普通商品电脑，建设成一个电脑簇。

根据摩尔定律及经济规模，一个现代的桌面电脑比15年前的超级计算机有更高性能，皆因某些超级计算机的设计已经放在桌面电脑内。再者，简单芯片的开发及生产成本比特意设计给超级计算机的更便宜。

超级计算机所处理的问题都适合并行化，当中减少处理单元之间的资料传送量。因此，传统的超级计算机可以被电脑丛集所代替。

专用超级计算机

专用超级计算机都是针对单一问题而开发的电脑。这些电脑都使用专门编程的FPGA芯片及超大型密集芯片，纵然牺牲普遍性也要提高成本性能比率。它们被用于天文物理学及密码破解之上。

例子：

  • 深蓝，(下棋)
  • 可再重设电算
  • GRAPE，天文物理
  • Deep Crack，DES解码器

最快的超级计算机

首500强超级计算机排名榜可见于http://www.top500.org/

速度单位

超级计算机速度以每秒的浮点运算"FLOPS"来作量度单位。 常见的表示电脑中的数量或速度用的单位英汉对照如下：

1K=210=1,024

1M=220=1,024×1,024=1,048,576

1G=230=1,024×1,024×1,024=1,073,741,824

1T=240=1,024×1,024×1,024×1,024=1,099,511,627,776

1P=250=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,125,899,906,842,624

1E=260=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,152,921,504,606,846,976

1Z=270=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,180,591,620,717,411,303,424

1Y=280=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,208,925,819,614,629,174,706,176

（电脑中的进制在涉及缩写时通常是以210(1024)为进制，前缀缩写引用国际单位制之SI prefixes。）

计划中的超级计算机

2009年2月4日，IBM发表Sequoia超级计算机，运算速度约为20Petaflops，主要为国家核能安全署（National Nuclear Security Administration）提供核子武器存储模拟测试所需的运算能力，将放置于美国能源部加州的劳伦斯·利弗莫尔（Lawrence Livermore）国家实验室，预计于2011年建设完成。

 目前最快的超级计算机

截至至2011年6月，日本富士通生产的“京”超级电脑超越了“天河一号”，成为当今最快的超级电脑。

 过往的超级计算机

日本地球模拟器IBM蓝色基因
  • 2009年10月，中国研制的第一台千万亿次超级计算机在湖南长沙亮相，这台名为天河一号的计算机位居同日公布的中国超级计算机前100强之首，也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。全系统峰值性能为每秒1.206PFlops。
  • 2008年11月，IBM的Roadrunner成为当时最快的超级计算机，运算能力为1.105PFlops。
  • 2008年11月16日，美国Cray超级计算机公司推出Jaguar系列，运算能力为1.059PFlops，采用45376颗四核心的Opteron处理器，362TB的存储器，传输总带宽284GB/Sec，硬盘容量超过10PB，内部的数据总线带宽532TB/Sec。这台电脑将放置在美国的国家高速电脑中心，并开放给各界有需要的团体申请使用。
  • 2007年11月，IBM的Blue Gene/L，运算能力为478.2 TFlops，安装了32768个处理器。它是PowerPC架构的修改版本，正式运作版本被推出到很多地点，包括罗兰士利物摩亚国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）。
  • 在Blue Gene/L之前，最快的超级计算机是日本电气株式会社在横滨地球科学学院的地球模拟器。它由640个特别设计的8阶矢量处理器根据NEC SX-6架构所组成的丛集，使用UNIX的修改版本。
  • 在地球模拟器之前，最快的超级计算机是美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室的ASCI White，它的冠军位置维持了2.5年。

   类超级运算

  • 某些分布式运算把丛集超级运算推至极限。例如SETI@home计划现在平均有667.716 TeraFLOPS运算能力。[2].
  • 2009年4月，Folding@home声称拥有超过8PFLOPS运算能力。[3]
  • GIMPS运算能力也高达18TFLOPS。
  • Google的搜寻引擎系统Google server farm总处理能力界乎于126及316TFLOPS之间。Tristan Louis估计这个系统等于32000至79000台双2 GHzXeon电脑[4]。 由于散热问题，Google的搜寻引擎系统应该属于网格运算。

超级计算机时间线

由古至今：

年份国家超级计算机FLOPS地点1942年 美国Atanasoff–Berry Computer (ABC)30 OPS美国衣阿华州立大学 美国TRE Heath Robinson200 OPS英国帕雷屈里庄园1944年 英国Flowers Colossus5 kOPS英国Dollis Hill Post Office Research Station1946年
美国UPenn ENIAC100 kOPS美国马里兰州战争部阿伯丁试基地1954年 美国IBM NORC67 kOPS美国维珍妮亚州海军试验基地1956年 美国MIT TX-083 kOPS美国麻省理工大学1958年 美国IBM AN/FSQ-7400 kOPS美国空军23号基地1960年 美国UNIVAC LARC250 kFLOPS美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室1961年 美国IBM 7030 "Stretch"1.2 MFLOPS美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室1964年 美国CDC 66003 MFLOPS美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室1969年 美国CDC 760036 MFLOPS1974年 美国CDC STAR-100100 MFLOPS1975年 美国Burroughs ILLIAC IV150 MFLOPS美国加州NASA恩斯研究中心1976年 美国Cray-1250 MFLOPS美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室1981年CDC Cyber 205400 MFLOPS（世界很多地方）1983年 美国Cray X-MP/4941 MFLOPS美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室，波音公司1984年 苏联M-132.4 GFLOPS苏联莫斯科计算机科学研究学院1985年 美国Cray-2/83.9 GFLOPS美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室1989年 美国ETA10-G/810.3 GFLOPS美国佛罗里达大学1990年 日本NEC SX-3/44R23.2 GFLOPS日本府中市NEC府中厂1993年 美国Thinking Machines CM-5/102465.5 GFLOPS美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室;美国国家安全局 日本Fujitsu Numerical Wind Tunnel124.50 GFLOPS日本国家宇航实验室 美国Intel Paragon XP/S 140143.40 GFLOPS美国山迪亚国家实验室1994年 日本Fujitsu Numerical Wind Tunnel170.40 GFLOPS日本国家宇航实验室1996年 日本Hitachi SR2201/1024220.4 GFLOPS日本东京大学 日本Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048368.2 GFLOPS日本筑波市筑波大学电算物理中心1997年 美国Intel ASCI Red/91521.338 TFLOPS美国山迪亚国家实验室1999年 美国Intel ASCI Red/96322.3796 TFLOPS2000年 美国IBM ASCI White7.226 TFLOPS美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室2002年 日本NEC地球模拟器35.86 TFLOPS日本地球模拟器中心2004年 美国IBM Blue Gene/L70.72 TFLOPS美国能源部/IBM2005年 美国136.8 TFLOPS美国能源部/NNSA/LLNL280.6 TFLOPS2007年 美国478.2 TFLOPS2008年 美国IBM Roadrunner1.026 PFLOPS美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室1.105 PFLOPS2009年 美国美洲虎2.331 PFLOPS美国橡树岭国家实验室2010年 中国天河一号2.507 PFLOPS中国天津国家超级计算中心2011年 日本京8.162 PFLOPS日本富士通

科幻中的超级计算机

  • Matrix-“母体”是电影《黑客帝国》（The Matrix）中，由机器所创造出的一个模拟环境，用以控制人类，并从人类身上吸取能源。
  • Skynet-“天网”是电影《终结者》（The Terminator）中美国军方所开发具有人工智能的超级计算机，但后来它具有自我意识而以全人类为敌。
  • HAL 9000
  • TRANSLTR是丹·布朗（Dan Brown）的小说-《数字城堡》（Digital Fortress）中美国国家安全局（NSA）所暗中开发的超级计算机，主要用来监听互联网分组，破解一切可能对国家安全造成威胁的加密消息，包括加密的电子邮件，但是它的存在不被政府所承认。
  • Veda-“吠陀”是日本动漫《机动战士高达 00》（Mobile Suit Gundam00）中由雪儿·亚克斯迪卡（Chall Acustica）所集成的量子型计算机，由天人组织（Celestial Being）所使用，连接上地球所有网络，瞬间获得任何资讯，计算出预算方案。能与所谓“变革者”（Innovator）及原始变革者以脑量子波为媒介进行同步连接。
  • X.A.N.A来自动漫【Code Lyoko】/【虚幻勇士】/【进入格力高】/【至NET奇兵】一台有人工智能的超级计算机，原用于计算，后用与摧毁军事机密，有倒转时空的能力。他的发明者后来发现此功能后不断使用，导致X.A.N.A不断自我升级。最后X.A.N.A通过计算得出结论：主宰地球。于是不断发动X.A.N.A的寄生体【Lyoko】里的圆塔（开启后可用于计算使用）通过电缆对人类进行破坏。后来它能够实体化，把寄生体【lyoko】删除了，但是被潜伏在世界上其他超级计算机里的发明者发回了类似于Lyoko的虚拟世界备份，重建了Lyoko
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