洛斯阿莫斯实验室与美国超级计算机的发展[权威精品]

洛斯阿莫斯实验室与美国超级计算机的发展 -权威精品 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 最新最全的 学术论文 期刊文献 年终总结 年终报告 工作总结 个人总结 述职报告 实习报告 单位总结 2008 年 5 月，洛斯阿莫斯国家实验室研制的超级计算机 “ 走鹃 ” 成为了世界上最强大的计算机。虽然世界上 “ 最强大的超级计算机 ” 这一桂冠曾几易其主，但 “ 走鹃 ” 不仅仅是一台运算速度超快的机器，它超前的结构设计使它突破了每秒钟千万亿次浮点计算的难关，正因如此， “ 走鹃 ” 点亮了计算机行业的技术革命。 洛斯阿莫斯实验室一贯以在各个领域进行创新著称，当然也包括计算机领域。正如实验室主任杰克 沃尔顿在1978 年所说： “ 核武器科学推动了很多技术的发展，而且给计算机科学的研究提供了很大一部分的资金。而计算机也为解决核武器科学中的很多问题提供了工具和技术保障，否则，绝大部分的问题都很难这么快就得以解决。在突破千万亿次浮点计算的速度难关以前的几十年，实验室只能依靠机械的桌面计算器或者穿孔卡片机来进行制造早期核武器所需的计算，而国家安全与计算机之间的关系可不仅仅是巧合而已。 早期的计算机与曼哈顿计划 几千年来，人们一直需要通过计算工具来完成各种任务，包括最基本的算数管理记录与计时。在 17 世纪，诞生了世界上首个机械计算设备 滑尺。直到 19 世纪，可以解析计算的计算机 先进的穿孔卡片计算机才开发出来，直到 20 世纪初才开始渐渐地失宠。 在二战开始前的十几年，复杂的模拟计算机异军突起，模拟计算机运用可测的物理量，比如距离或者是电压来代表数据。虽然上千年前，早期航海家们就已经使用例如 “ 星盘 ” 这样的模拟设备，但一直到 20 世纪初期，模拟计算机仍旧是一个相对简单的机器。到 20 世纪，高级模拟计算机的发展已经到达了顶峰，比如麻省理工大的 “ 微分分析仪 ” 一个以它解决微分方程的能力而命名的机器，它是由范内瓦 布什和他的学生哈罗德 黑曾发明的。 20 世纪 30 年代末，布什和他的机器都入选到国防项目中。在美国决定参加二战的前夕，在麻省理工学院的辐射实验室内，展开了很多关于重点防御技术的研究，比如雷达。在研究这些项目中，人们运用了很多工具，当然也包括 “ 微分分析仪 ” 。布什把几个重点项目规划为国防研究委员会的重点项目，而他本人在一段时间以后也成为了 “ 科学研究与发展 ” 实验室的主任。 国防研究委员会所研究的项目包括布什本人非常感兴趣的关于初级原子弹的研究。日本袭击了珍珠港以后，原子弹的研究迅速发展。经布什首肯，研究移交给了陆军工程兵部队，也是从这时候开始，这一计划开始被称为 “ 曼哈顿计划 ” 。而且有关这些项目的实验室也迁移到了圣达菲、新墨西哥州等地，后来人们称之为 “Y 计划 ” 。 在刚开始时， “Y 计划 ” （洛斯阿莫斯国家实验室的前身）为了设计制造出世界上第一颗原子弹应用了大量的计算设备。 1943 年春，实验室开始运行时购买了一些机械计算设备。在这些设备中，最有用的就是马钱特桌面式计算机 ，这些设备主要用于支持像 “ 小男孩儿 ” 那样的枪法式铀裂变核武器的计算。之后比较强大的 IBM 穿孔卡片计算机问世了，它可以进行更复杂的计算，可以用来支持像 “ 胖子 ” 那样的内爆型的钚元素的核武器的计算。 刚开始的时候，洛斯阿莫斯实验室的战时计算机缺乏机械可靠性，很大一部分的结果需要进行修正，而且经常算不出准确的结果。但是那段时间洛斯阿莫斯实验室拥有几位成绩斐然的科学家，比如理查德 费曼和尼古拉斯 梅特罗波利斯，他们俩开始决定亲自去维修桌面式计算机和打孔式计算机。像梅特罗波利斯和他办公室的同事埃尔德雷德 纳尔 逊在战后说的那样： “ 当实验室的行政部门发现了我们所做的这些份外工作时，一些人开始挑剔，维修工作也受到干扰，可是后来因为能够工作的计算机越来越少，这些批判者们又开始恳求我们恢复之前的工作。 ” 尽管缺乏可靠性，但早期的计算机技术已经是必不可少的了，尤其是当梅特罗波利斯和费曼的维修能力越来越熟练之后。科学家们可以运用计算机模拟复杂的实验，在这些仿真中模拟出来的数据可以帮助科学家们理解内爆的原理。同样，计算机可以使科学家们准确地预测其他的物理和科学现象，比如1945 年 10 月份的 “ 三位一体核试爆 ” （ Trinity Test）。而在此次核试验几周之后，原子弹投入了战场，而且最终以胜利宣告二战结束。 作为顾问，杰出的匈牙利数学家约翰 冯诺伊曼在 Y 计划中举足轻重，他为洛斯阿莫斯实验室的科研人员们引进了很多最前沿的计算机技术，其中包括世界上第一台电子数字积分计算机（ ENIAC）。计算机由宾夕法尼亚大学设计建造，是为了美国陆军的火炮平台进行计算而设计的，这些数据帮助炮手们准确瞄准武器。 ENIAC 的多功能结构也使其用于早期的氢弹研究。事实上， ENIAC 在当时是不被公众所知晓的，因为它的存在是当时的最高机密之一， 但它悄无声息地在计算机的发展史上留下了浓墨重彩的一笔。 在战后的几年内，桌面式计算机和 IBM 打孔式计算机继续在实验室使用。但是人们对于更复杂、更强大武器的追求迫使人们寻求更加强大、更加高级的电子计算机。梅特罗波利斯和弗兰克 哈洛回忆到： “ 战争年代的经历使实验室内的科学家们和工程师们足够兴奋。机械化计算极大地刺激了战后现代计算机的发展。 冷战时期的计算机 二战后，洛斯阿莫斯实验室的科学家们改进了核裂变武器而且探索了制造氢弹的可能性，氢弹的破坏力比 “ 胖子 ” 和“ 小男孩 ” 强了不止一个数 量级。冯诺伊曼安排使用 ENIAC 在宾夕法尼亚州进行一些早期的氢弹计算，但很快就发现洛斯阿莫斯实验室需要属于它自己的新型超级计算机。在芝加哥工作的梅特罗波利斯接受了来自洛斯阿莫斯实验室的邀请，来制造这样的一台电子计算机。 ENIAC 的诞生促成了几种类似的计算机的发展。梅特罗波利斯咨询了冯诺伊曼，并且在研究了数个此类计算机以后，设计出来了属于洛斯阿莫斯实验室的版本。这个计算机更加强大，而且用起来更加顺手，他们把它称为数学分析数值积分器计算机，简称为 MANIAC。 1948 年， MANIAC正式建成，关于氢弹的研究也平 稳地进行。 1949 年的 8 月，也就是苏联进行首次核武器实验几个月之后，氢弹的研制也被提上了日程。 1952 年初， MANIAC 建成几个月后，在 10月 31 日，世界上首个全面热核装置 氢弹，在太平洋的埃尼威托克环礁中正式投入测试。此次实验被称作 “ 艾维 -麦克 ”（ Ivy-Mike）。它释放出来能量相当于 500 个 “ 胖子 ” 炸弹的爆炸当量，试验的小岛顷刻化为乌有。 “ 艾维 -麦克 ” 计划的成功超级计算机可谓功不可没。实验室的 “ 二把手 ” 诺里斯 布雷德巴里在 1954 年曾说： “ 超级计算机在任何热核反应中都至关重要，因为在这一领域中 的计算量可不是在一摞小纸片上用滑尺算算就可以解决的。也就是最近，随着像MANIAC 一样的计算机、普林斯顿大学的计算机以及 IBM 公司的计算机的发展，我们才有了解决我们所遇到问题的机器。 ” MANIAC 系列的产品在实验室运行的很不错，前途也十分光明。 1956 年，第二代 MANIAC 制造完成，它比原型产品更易于操作。在服役了 20 多年之后，于 1977 年停用。 20 世纪60 年代初，梅特罗波利斯还在芝加哥大学制造了第三代MANIAC。但是在 20 世纪 50 年代，因为数字电子计算技术价格不再那么昂贵，而且更可靠、更强大 ，于是商业电脑逐渐取代了手工制作的 ENIAC。 在 1953 年，实验室购置了第一台商业计算机 IBM701。 IBM701 为洛斯阿莫斯实验室开启了计算的新时代，这个时代的计算机主要是由商业计算机和与合作伙伴共同开发的定制计算机组成。 20 世纪 50 年代到 60 年代之间的大部分时间内，实验室每 2 年计算能力就翻一番，这一非凡壮举的实现得益于和私人公司的合作以及计算机技术上的重大突破。 这个时代最重要的进步就是在晶体管的发展和应用。那个时代之前，计算机依靠的是真空管，真空管既发热，而且还要定期更换，用以 控制电流。比如说 ENIAC 含有超过 17000 个真空管。而从另一方面讲，晶体管体积更小、更可靠、更便宜、更简单。为了满足武器开发日益增长的需要， 1961 年，洛斯阿莫斯实验室接收了一台 IBM-Stretch，它是 IBM 公司的第一部晶体管计算机，尽管 IBM-Stretch 的性能没有 IBM 公司设想的那样出色，但直到 20 世纪 60 年代中叶，它都一直保持着全世界最快计算机的称号。 此后为了寻求功能更强大的机器，洛斯阿莫斯实验室又把目光投向了数据控制公司（简称 CDC）。 CDC 生产了世界上首台超级计算机 CDC6600，它是世界上第一台每秒进行百万次浮点运算的计算机，不过，这一纪录很快就被 CDC7600 打破了。 西摩 克雷带领研发队伍制造了 CDC6600 和 7600。1972 年他离开了 CDC，建立了自己的公司 克雷研究公司。1975 年，他设计完成了具有革命性意义的第一款产品 每秒1.6 亿次浮点运算的 “ 克雷 -1” 。第二年，他将这一产品送入了洛斯阿莫斯实验室。 “ 克雷 -1” 的原理是运用集成电路（包含无数晶体管的芯片）来提高性能，同时创新性地使用氟利昂系统保证机器不会过热。西摩 克雷还创新性地使用矢量运算，这使得 “ 克 雷 -1” 比起同时代的其他计算机处理信息速度高效得多。 1985 年，洛斯阿莫斯实验室又购买了 “ 克雷 ” 系列计算机，其中最著名的是 X-MP。 1982?1985 年间，使用多矢量处理器的 X-MP 荣获世界上最快电脑的桂冠。 20 世纪 80 年代末，洛斯阿莫斯实验室仍然是计算机技术发展的重要推动者。实验室再次与 IBM 合作，同时还开始了和思考机器公司（ Thinking Machines Corporation）的合作。思考机器公司的大规模并联机器使用几千个微处理器同时进行大量的数据运算，将洛斯阿莫斯实验室带入每秒 10 亿 级浮点运算的时代，不过当时 “ 克雷 -2” 已经在别的地方实现了这一目标。但是，思考机器公司的命运和 20 世纪 90 年代初的世界政治格局一样风云突变。 1992 年之后的计算机技术发展 随着冷战骤停，美国政府在超级计算机方面的资金投入也大幅缩减。这导致思考机器公司和克雷计算公司（克雷研究公司的分支）在 1994 年和 1995 年相继破产。但是就在这些公司破产之后，美国会又启动了 “ 科学为基础的库存管理计划（ SSSP） ” 项目，以确保美国核武器的核心知识和技术得到保护，包括武器设计、武器系统整合、武器生产、武器 安全、武器使用及管控、武器可靠性的评估以及武器的证书，而且新的法案要求加紧研制出建模与仿真能力更先进的计算机。也正因如此， “ 加速战略计算计划 ” （ ASCI）迅速发展壮大，他们需要研制出更多更强大的计算机来支持 SSSP 项目。 ASCI 计划的成功很大程度得益于国家实验室与私人企业之间的前所未有的密切合作。 20 世纪 90 年代的时候，洛斯阿拉莫斯实验室与克雷公司重新开始了合作。首先送达实验室的机器是 T3D，这标志着克雷公司开始进入大规模并行处理阶段。后来的 T90 和 J90 机型也打破了矢量技术的限制。但是对于 ASCI 计划来说，要想达到国家安全目标，计算机的运算速度需要从每秒 10 亿次飞跃到每秒万亿次。而一种新的构造方式 并行集群能够实现这一目标。顾名思义，并行集群计算机是好多台各自独立的电脑协同工作。实验室第一台并行集群的计算机名为 “ 蓝山 ” ，它由 48 个硅图形处理器组成，可以进行每秒 300 亿次浮点运算，成为 1999 年世界上第三快的电子计算机。比 “ 蓝山 ” 快的 2 台计算机分别为在塞蒂亚国家实验室和利弗莫尔国家实验室运行。 ASCI Q 是洛斯阿莫斯实验室和惠普公司的合作产物，它一经问世便迅速蹿升至 2002 年世界上第二 快的计算机，它的速度甚至可以达到每秒 20 万亿次浮点运算，更具意义的一点是，它采用了全新的 “ 计算机互联 ” 结构。这一技术也使得“ 走鹃 ” 于 2008 年最终打破了每秒千万亿次浮点运算的大关，也因为它的问世，洛斯阿莫斯实验室在 1993 年的 CM-5 之后再一次拥有了 “ 世界上最快的超级计算机 ” 。 国家安全与未来科技创新 纵观整个冷战时期，世界上绝大多数的超级计算机都是为了国防项目才开始发展的。特别是依附于一些与发展维持核武器有关的项目。在 1983 年，洛斯阿莫斯实验室建成 40 周年的时候，弗兰克 哈洛和梅特罗 波利斯曾经说过： “ 世界上可以解决大量技术难题的计算机对于核弹设计者们来说就是最好的礼物。 ” 纵观实验室的历史，对于核武器项目来说，计算机已经得到了特殊的发展，时至今日，更多更强大的计算机可以进行更具体、更真实的武器仿真。依照实验室试验的数据来进行仿真，确保了估算得到加强，确保国家在未来可以维持长久的核威慑。 在洛斯阿莫斯实验室的历史中，计算机也被应用在很多未来科技领域，比如上世纪 50 年代生物科学家们对于人类基因组计划的探究。时至今日，这一计划仍在延续，而且，现在的科学家们尝试去应用超级计 算机来破译 DNA 的序列。近些年来，超级计算机还应用在矿产勘探、基础科学以及能源科学等领域。在 21 世纪，人类会把实验室的计算机应用的更为广泛，人们可以用计算机进行更具体的建模运算，而且有助于探究气候的变化，世界性流行疾病的传播，还有宇宙的奥秘，就像人们把