世界超级计算机TOP500调查报告.doc

世界超级计算机TOP500调查报告 20号 罗振强实 验 报 告课程名称：并行计算实验项目：世界超级计算机TOP500调查报告实验时间：10.10.16实验班级：计本2学号：2008034243120姓名：罗振强指导教师：李军 二10 年 10 月 16 日17页世界超级计算机TOP500调查报告超级计算机Top500已经成为衡量高性能计算发展水平的标准，从榜单中不但可以了解高性能计算的最新技术和发展趋势，还可以预测高性能计算产业的走向。世界超级计算机Top500榜单每年发布两次，分别是在6月和11月，如今已经是第35届。每半年一次的超级计算机500强排行榜是来自曼海姆大学的Hans Meuer，来自美国能源部下属国家能源研究科学计算中心的Erich Strohmaier与Horst Simon，以及来自田纳西大学的Jack Dongarra共同努力的成果。那么，在2010年的Top500榜单中，又透露出了哪些新的信息呢？就此，本人对世界超级计算机Top500进入了一次深入的调查，具体情况如下：一、 调查目的 掌握世界超级计算机Top500排名情况，了解世界超级计算机领域内存在的问题以及各生产商信息。二、 调查对象及其一般情况 调查对象：世界超级计算机。 三、 调查方式本次调查采取的是访问/这个网站，以及其他相关信息网页。四、 调查时间：2010年9月2010年10月五、 调查内容主要调查了超级计算机Top500最近3次新的top500资料，在Rank, Manufacturer, Country, Cores, Rmax, Rpeak, Nmax, Power, Processor Family, Processor, Proc. Frepuency, System Family, System Model, Operating System, Architecture, Segment, Application Area, Interconnect Family, Region 这些方面作一个统计分析报告。六、 调查结果人们一直在追求更快的计算速度和更大的存储空间，以此来应对越来越多的数据处理的工作。当我们把钱存在银行的时候，超级计算机在管理着资金；当我们出门旅行的时候，超级计算机帮我们订机票；当我们想知道明天是晴是雨时，超级计算机为我们提供天气预报；甚至当我们玩游戏时，超级计算机也在繁忙地工作着，让游戏体验更加流畅。我们乘坐的飞机、我们使用的电力和石油，乃至于我们点一下鼠标打开一个网页的时候，都离不开超级计算机的支持。国际超级计算大会（ISC，International Supercomputing Conference）按照计算机处理信息的速度，每年都会发布两次世界上运算速度最快的计算机名单，叫做Top500榜单（Top500 List）。这张榜单从1993年6月开始，到今年6月已经发布了第35次。第35届世界超级计算机TOP500排行榜于2010年5月31日在德国汉堡举行的SC10大会上发布。排名第一的仍是美国Cray公司研制的“美洲豹”系统；中国曙光公司制造的“星云”超级计算机以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二。 TOP10重点分析 在TOP10系统中，IBM公司占有4台（一台“走鹃”和三台“蓝色基因”），Cray公司拥有2台（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中国的曙光公司和国防科技大学各占有一台。但必须指出，我国所制造两台系统（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美国的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可见，美国在高性能计算领域的综合技术实力是无可比拟的。第35届世界超级计算机TOP500前十排行榜图12010年最新一期的超级计算机500强于最近公布，位于中国深圳的国家超级计算机中心的“星云”荣登榜眼。这也是中国第一次有两座超级计算机进入世界前十强。据了解，今年11月的榜单中，中国制造，来自曙光的“星云”超级计算机以1.271 PFlop/s的Linpack成绩(每秒1271万亿次)摘得亚军，成为中国历史上在Top500榜单上排名最高的超级计算机。星云采用了异构协同计算技术，采用曙光TC3600刀片服务器作为计算节点，采用英特尔Xeon X5650 CPU和NVIDIA Tesla C2050 GPU的组合，共具有120640个计算核心。星云将落户深圳国家超级计算中心，承担华南地区高性能计算和云计算任务。“星云”的理论最高运算次数可达3千万亿次，如果可行，它将是世界上运算次数最快的超级计算机。另外，我国在上届取得第五名的“天河一号”在本届位列第七。这套由国防科技大学计算机学院研制的超级计算机系统是我国首台千万亿次超级计算机，天河一号同样采用异构计算，采用英特尔Xeon E5540/E5450 CPU和ATI Radeon HD 4870 GPU组合，共71680个计算核心，峰值速度为1.206PFlop/s(每秒1206万亿次)、实测速度为563.1GFlop/s（每秒563万亿次）。除曙光星云和天河一号外，本届Top500还有22套中国超级计算机系统上榜，占总数的4.8%。位于美国、英国、法国之后，位居第四。美国仍旧一家独大，中国系统性能再创新高美国的领先地位依旧无人能撼，500台系统中占了282台（6个月前277台）。欧洲所占份额（从152台减少到144台）仍远远超过亚洲（从51台增加到57台）。 亚洲系统拥有量占优势的分别是中国（从21台增加到24台）、日本（从16台增加到18台）和印度（从3台增加到5台）。 在欧洲，英国的系统保有量仍位居第一，有38台（6个月前为45台）。法国有29台（6个月前为26台），超过德国（24台，6个月前为27台）排名第2。 中国保有的系统数持续增长，此次达到24台，与德国持平，系统保有数排名第四，排名前三的国家依次是美国、英国和法国。而就系统总体性能值而言，中国仅次于美国之后，排名第二，超过了排名第三的德国。 如图2所示：第35届世界超级计算机500强的各国分布图2超级计算机制造商由图5所得IBM成为超级计算机建造单位的第一位，如图2所示，这是因为：1、IBM公司是世界上最大的计算机制造公司，它的成功在很大程度上应该归功于员工的创新性。该公司为了激励科技人员的创新欲望，促进创新成功的进程，在公司内部采取了一系列的别出心裁的激励创新人员的制度。2、电脑，有时代主角之称，各电脑公司无不以未来作赌注，致力于研究开发工作，为此，研究开发工作成为企业竞争的焦点。IBM公司始终把研究开发作为公司的首要任务，并将并数的利润用于研究开发，并设立追求所有可能性的基础部门。3、IBM公司决不让一名未经培训或者未经全面培训的人到销售第一线去。销售人员们说些什么、做些什么以及怎样说和怎样做，都对公司的形象和信用影响极大。如果准备不足就仓促上阵，会使一个很有潜力的销售人员夭折。因此该公司用于培训的资金充足，计划严密，结构合理，一到培训结束，学员就可以有足够的技能，满怀信心地同用户打交道，不合格的培训几乎总是导致频繁地更换销售人员，其费用远远超过了高质量培训过程所需要的费用。所以从公司的角度看，招工和培训工作是成功的。如图3所示：第35届世界超级计算机建造单位图3图4 图5三种技术路线并存从技术路线来看，TOP10系统可分为三种技术路线：一是基于高性能通用CPU；二是基于低功耗嵌入式CPU；三是基于通用CPU+加速器（或称协处理器）。 采用第一种技术路线的系统有4台。其中，Cray公司的“美洲豹”和“海怪”系统基于AMD六核2.6GHz Opteron处理器；SGI公司的“昴宿星”和Sun公司的“红色天空”系统则是基于Intel四核EM64T Xeon处理器（型号和频率不同）。 采用第二种技术路线的系统有3台。它们都属于IBM“蓝色基因”系列，都是基于低功耗嵌入式PowerPC处理器，其中2台“蓝色基因/P”系统基于850MHz PowerPC 450处理器，1台“蓝色基因/L”系统基于700MHz PowerPC 440处理器。 采用第三种技术路线的系统也有3台。它们分别为IBM公司的“走鹃”以及我国曙光公司的“星云”和国防科技大学的“天河”系统。所不同的是，作为2008年世界首台Linpack实测性能突破千万亿次大关的IBM“走鹃”系统采用Cell处理器（最初用于索尼公司的PS游戏机）作为加速器，而我国的“星云”和“天河”系统则是利用GPU来实现加速。具体地说，“走鹃”是AMD Opteron CPU+ PowerXCell 8i；“星云”是Intel X5650 CPU+NVIDIA Tesla C2050 GPU；“天河”是Intel E5540 CPU+AMD/ATI Radeon 4870 GPU。 四核主流地位不变，Intel引领发展此次TOP500的系统中，处理器结构仍以多核处理器为主。有85%（425台）都使用了4核处理器，有5%的系统使用了6核或以上的处理器。仍有48台系统采用双核处理器。 Intel无疑仍是最大赢家。在所有500台系统中，使用Intel处理器的占了81.2%，而且在使用4核处理器的系统中，Intel的份额超过了90%。使用Intel Core i7（Nehalem-EP）处理器的系统数量增长迅速，从上次的95台增长到此次的186台，几乎翻了一倍。 AMD Opteron系列处理器的采用率此次超过IBM，排名第二，从42台增加到47台，占9.4%。IBM Power处理器份额略有下降，从52台减少到42台，占8.4%。 500强三大处理芯片分别是Intel、AMD、IBM为主，如图3所示。我国有 Intel EM64T，而根据资料3 年来最多的处理器的个数和最高的主频分别分别是：408和Proc. Frequency 4700第35届世界超级计算机500强的处理芯片图6主要操作系统在操作系统方面有Linux、CNK/SLES 9、CentOS、CNL、SLES10 + SGI ProPack 5、Windows HPC 2008、UNICOS/lc、Redhat Linux、Super-UX、CNK/SLES 9、AIX、Open Solaris、SuSE Linux Enterprise Server 9、Windows HPC 2008、Cell OS、RedHat Enterprise 4、SLES10 + SGI ProPack 5，而TOP500系统则大部分采用了Linux操作系统。第35届世界超级计算机运行的操作系统图7超级计算机各大用途超级计算机的应用目前几乎已涉及科学技术、工业设计、金融和经济管理以及军事国防等相关的各种领域，例如天气预报和气候模拟、地震预报和监测等方面的应用，还有环境监测和分析、石油等自然资源的勘探，生物及医学领域的基因与遗传工程、药物研制、医学影像的分析处理，航空航天领域的飞行器设计，军事武器的研制和模拟试验，还有基础科学研究等领域的大规模数值计算。除了具有超强大的科学计算能力之外，超级计算机具有高效的信息服务和事务处理能力，因此也可以用作信息服务、事务处理与决策支持等系统的高性能服务器。榜单中许多美国的超级计算机都为政府所有，用于核武方面的研究。此外，美国也有一座千万亿次的超级计算机为能源部所有。而我国的超级计算机主要用在下面方面：1、天气预报目前的中短期天气预报主要是根据气象卫星等观测的大气实况资料，通过求解描述天气演变过程的动力学方程组实现的，这种大规模的数值计算必须由超级计算机完成。2、地球模拟器用于地球大气循环监测和分析、温室效应预测、地壳及地震监测和预报等大规模计算的向量处理超级计算机系统。3、药品研制开发一种新的药品，通常需要从研制和试验的很多步骤，一般需要大约15年的时间，而利用超级计算机则可以对药物研制、治疗效果和不良反应等进行模拟试验，从而将新药的研发周期缩短35年且可显著降低研发成本。4、石油勘探石油勘探大多采用地震勘测的办法，即在地面进行爆破后，用探测仪器检测和采集震动反射波的大量数据，利用对这些数据计算、处理和分析结果确定地下储油位置。石油勘探中大量数值的快速计算、处理和分析，必需由高性能的超级计算机完成。例如，2007年曙光4000L超级计算机就曾在发现储量高达10亿吨的渤海湾冀东南堡油田的过程中发挥了关键作用，而其后的曙光5000A超级计算机的应用，则进一步达到了地下数千米的勘探深度。5、核爆炸模拟全面禁止核试验条约的签订之后，相关的一些国家开始转向利用大规模数值计算的方法进行核武器的模拟试验，以评测核武器的各项性能，这种应用对计算性能有着很高的要求第35届世界超级计算机的用途分类图8MPP结构略胜Cluster从大的体系结构来看有：1、对称多处理共享存储并行机（ S M P：Symmetric MultiProcessing）2、分布共享存储并行机（DSM：DistributedShared Memory）3、大规模并行机（MPP： Massively ParallelProcessing）：数百个乃至数千个处理器组成的大规模并行机。4、工作站（微机）机群（COW：Cluster OfWorkstation、Beowulf PC-Cluster）而TOP10系统分为两种：MPP（大规模并行处理）和Cluster（机群）。其中，采用MPP结构的系统有6台Cray“美洲豹”和“海怪”、三台IBM蓝色基因机器、SGI“昴宿星”；采用Cluster结构的机器有4台曙光“星云”、IBM“走鹃”、国防科大“天河”、Sun“红色天空”。 MPP结构的系统又分为基于高性能通用多核CPU（Cray、SGI系统）和基于低功耗嵌入式CPU（IBM蓝色基因系统）。 Cluster结构则分为同构（只用一种CPU，Sun“红色天空”）和异构（CPU+GPU或Cell，“星云”、“天河”和“走鹃”）。商用互连和专用互连平分秋色从互连技术来看，TOP10系统采用商用互连和专用互连的机器各占一半。其中，“星云”、“走鹃”、“昴宿星”、“天河”、“红色天空”都是采用商用Infiniband互连。“美洲豹”和“海怪”系统采用了基于Cray专有Seastar2+芯片的高带宽低时延互连网络；3台“蓝色基因”系统采用基于IBM公司专有ASIC路由器芯片的三维环网。由此可见，Cluster结构的机器基本都是采用商用标准互连，而MPP结构则一般采用专用互连技术，SGI“昴宿星”MPP系统是一个例外。继续关注能效指标此次TOP500按惯例跟踪了500台超级计算机的实际功耗。此次TOP500的平均功耗为397kWatt，平均能效为195Mflops/Watt（一年前为108Mflops/Watt，六个月前为125Mflops/Watt）。 排名第1的Jaguar系统最高总功耗为6.95Mwatt。TOP10的平均功耗为2.89Mwatt（一年前为2.45MWatt），平均能效为300Mflops/Watt（一年前为280Mflops/Watt）。 能效最高的系统主要基于：采用IBM PowerXCell 8i处理器的Qpace机群系统，能效最高达774Mflop/Watt；IBM QS22 Cell处理器刀片系统，能效高达458Mflop/Watt；采用Intel Westmere处理器的iDataPlex系统，能效高达418Mflop/Watt。 目前已证实榜单中只有22台系统的功耗超过1Mwatt。 TOP10排行详细情况第一位：美国的克雷股份有限公司的美洲虎System NameJaguar SiteOak Ridge National LaboratorySystem FamilyCray XTSystem ModelCray XT5-HEComputerCray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHzVendorCray Inc.URL/computing-.Application areaNot SpecifiedInstallation Year2009Operating SystemLinuxInterconnectProprietaryProcessorAMD x86_64 Opteron Six Core 2600 MHz (10.4 GFlops)第二位：中国的曙光公司的星云System NameNebulae SiteNational Supercomputing Centre in Shenzhen (NSCS)System FamilyDawning ClusterSystem ModelDawning TC3600 Blade SystemComputerDawning TC3600 Blade, Intel X5650, NVidia Tesla C2050 GPUVendorDawningApplication areaResearchInstallation Year2010Operating SystemLinuxInterconnectInfiniband QDRProcessorIntel EM64T Xeon X56xx (Westmere-EP) 2660 MHz (10.64 GFlops)第三位：美国的IBM公司的走鹃System NameRoadrunner SiteDOE/NNSA/LANLSystem FamilyIBM ClusterSystem ModelBladeCenter QS22 ClusterComputerBladeCenter QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz, Voltaire InfinibandVendorIBMApplication areaNot SpecifiedInstallation Year2009Operating SystemLinuxInterconnectInfinibandProcessorPowerXCell 8i 3200 MHz (12.8 GFlops)第四位：美国的克雷股份有限公司的Kraken XT5System NameKraken XT5 SiteNational Institute for Computational Sciences/University of TennesseeSystem FamilyCray XTSystem ModelCray XT5-HEComputerCray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHzVendorCray Inc.URL/.Application areaResearchInstallation Year2009Operating SystemLinuxInterconnectProprietaryProcessorAMD x86_64 Opteron Six Core 2600 MHz (10.4 GFlops)第五位：德国的 IBM公司的尤金System NameJUGENE SiteForschungszentrum Juelich (FZJ)System FamilyIBM BlueGeneSystem ModelBlueGene/PComputerBlue Gene/P SolutionVendorIBMApplication areaResearchInstallation Year2009Operating SystemCNK/SLES 9InterconnectProprietaryProcessorPowerPC 450 850 MHz (3.4 GFlops)第六位：美国的 SGI公司的昂宿星System NamePleiades SiteNASA/Ames Research Center/NASSystem FamilySGI AltixSystem ModelSGI Altix ICE 8200EX/8400EXComputerSGI Altix ICE 8200EX/8400EX, Xeon HT QC 3.0/Xeon Westmere 2.93 Ghz, InfinibandVendorSGIApplication areaNot SpecifiedMain Memory126970 GBInstallation Year2010Operating SystemLinuxMemory126970 GBInterconnectInfinibandProcessorIntel EM64T Xeon E54xx (Harpertown) 3000 MHz (12 GFlops)第七位：中国的国防科技大学的天河1号System NameTianhe-1 SiteNational SuperComputer Center in Tianjin/NUDTSystem FamilyNUDT ClusterSystem ModelNUDT TH-1 ClusterComputerNUDT TH-1 Cluster, Xeon E5540/E5450, ATI Radeon HD 4870 2, InfinibandVendorNUDTApplication areaResearchMain Memory98304 GBInstallation Year2009Operating SystemLinuxMemory98304 GBInterconnectInfinband DDR 4xProcessorIntel EM64T Xeon E55xx (Nehalem-EP) 2530 MHz (10.12 GFlops)第八位：美国的 IBM公司的蓝色基因/LSystem NameBlueGene/L SiteDOE/NNSA/LLNLSystem FamilyIBM BlueGeneSystem ModelBlueGene/LComputereServer Blue Gene SolutionVendorIBMURL/asc/comput.Application areaNot SpecifiedMain Memory73728 GBInstallation Year2007Operating SystemCNK/SLES 9Memory73728 GBInterconnectProprietaryProcessorPowerPC 440 700 MHz (2.8 GFlops)第九位：美国的 IBM公司的勇敢的 System NameIntrepid SiteArgonne Na