超级计算机现状和发展趋势PPT课件

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 HighPerformanceComputing 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 WindowsServerHPCEdition 的新版本操作系统 超级计算机的五代 冯 诺依曼体系超级计算机架构图 P M PPPPPPPPP M P P P P M P P P P SystemAreaNetwork 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IBMPOWER处理器 48套采用HPPA 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 MassiveParallelProcessing 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LosAlamos国家实验室ASCIQ 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LosAlamos国家实验室Lightning LinuxNetworX 7美劳伦斯利弗莫尔国家实验室MCRLinuxClusterXeon2 4GHz8美劳伦斯利弗莫尔国家实验室ASCIWhite 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XseriesClusterXeon2 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AlphaServerSC46 惠普 13美国国家大气研究中心Pseries690Turbo1 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 JackDongarra 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AMDOpteron800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 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 1010 1011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48 1024个检波器 每个检波器每1 2毫秒记录一个采样点 每个样点16位 记录时间长度为3 15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200 300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60 80 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 pdTARTdpdtpdtdqdt u v w