论巨型计算机的发展及我国巨型机与世界最先进巨型机的比较毕业论文

1、论巨型计算机的发展及我国巨型机与世界最先进巨型机的比较内容摘要：巨型计算机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。身处二十一世纪的我们应该清楚的认识到巨型计算机的发展及我国巨型机与世界最先进巨型机的比较。本文通过对巨型计算机的发展、国际先进的巨型计算机系统的发展现状和我国巨型计算机的发展等几方面的论述，说明目前面对国外巨型计算机快速发展的形势，我们只有紧跟国际发展动态，及时调整发展战略，不断研究新问题，继续坚持自力更生、消化吸收、自主创新、开拓前进的方针，积极钻研巨型计算机系统的关键技术，努力缩小差距，才能确保我国在新世

2、纪世界巨型计算机领域占有一席之地。关键词：巨型机，发展，排名，先进，领先目录目录第章巨型计算机的发展11.1巨型计算机的概念.11.2巨型计算机的发展.21.2.1巨型计算机的发展概况 21.2.2巨型计算机的组成.41.2.3巨型计算机技术及应用.4第2章 国际先进的巨型计算机系统的发展现状.92.1 国际巨型计算机系统top10.102.2 国际巨型计算机系统500强11第3章 我国巨型计算机的发展.3.1巨型计算机在我国的发展概况83.2中国巨型计算机之父“金怡濂” 3.3 中国巨型计算机发展现状.7第4章 超级计算机的展望第5章 结论.15参考文献第章巨型计算机的发展1.1巨型计算机的

3、概念巨型计算机（巨型机,supercomputer）是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。 巨型计算机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。 对巨型计算机的指标一些家这样规定：首先，计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位

4、以上。如我国研制成功的银河计算机，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，研制运算速度达几百亿次的超级大型计算机。 在一定时期内速度最快、性能最高、体积最大、耗资最多的计算机系统。巨型计算机是一个相对的概念，一个时期内的巨型机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的巨型机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的巨型计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和

5、各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。1.2 巨型计算机的发展1.2.1巨型计算机的发展概况50年代中期的巨型机有 univac公司的larc机和 ibm公司的 stretch机。这两台计算机分别采用了指令先行控制、多个运算单元、存储交叉访问、多道程序和分时系统等并行处理技术。60年代的巨型机有cdc6600机和7600机，它们都配置有多台外围处理机，主机的中央处理器含有多个独立并行的处理单元。70年代出现了现代巨型计算机，其指令执行速度每秒已达5000万次以上，或每秒可获得2000万个以上的浮点结果。 现代巨型机经历了三个发展阶段。第一阶段有美国

6、illiac-(1973年)、star-100（1974年）和asc（1972年）等巨型机。illiac机是一台采用64个处理单元在统一控制下进行处理的阵列机，后两台都是采用向量流水处理的向量计算机。1976年研制成功的cray-1机标志着现代巨型机进入第二阶段。这台计算机设有向量、标量、地址等通用寄存器，有12个运算流水部件，指令控制和数据存取也都流水线化；机器主频达80兆赫，每秒可获得8000万个浮点结果； 主存储器容量为100400万字(每字64位)，外存储器容量达10 9 10 11 字；主机柜呈圆柱形，功耗达数百千瓦；采用氟里昂冷却。图中为这种机器的逻辑结构。中国的“银河“亿次级巨型

7、计算机（1983年）也是多通用寄存器、全流水线化的巨型机。运算流水部件有18个，采用双向量阵列结构，主存储器容量为200400万字(每字64位)，并配有磁盘海量存储器。这些巨型机的系统结构都属于单指令流多数据流(simd)结构。80年代以来，采用多处理机（多指令流多数据流mimd）结构、多向量阵列结构等技术的第三阶段的更高性能巨型机相继问世。例如，美国的cray-xmp、cdccyber205,日本的s810/10和20、vp/100和200、s1和s2等巨型机，均采用超高速门阵列芯片烧结到多层陶瓷片上的微组装工艺，主频高达50160兆赫以上，最高速度有的可达每秒510亿个浮点结果,主存储器容

8、量为4003200万字（每字64位），外存储器容量达10 12 字以上。 还有一类专用性很强的巨型机。例如，美国哥德伊尔宇航公司的巨型并行处理机mpp，由16384个处理器组成128128的方阵，专用于卫星图像信息的高速处理，8位整数加的处理速度可达每秒60亿次，32位浮点加可达每秒1.6亿次。英国icl公司研制的分布式阵列处理机专用系统dap，由 4096个一位 微处理器 和一台大型系列机2900组成，最高速度可达每秒1亿个64位的浮点结果。 1.2.2巨型计算机的组成巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存贮器构成。由于巨型机加工数据的吞吐量很大，只有主存是不够的，一般有半导体快速扩充存贮

9、器和海量（磁盘）存贮子系统来支持。对大规模数据处理系统的用户，常需大型联机磁带子系统或光盘子系统作为大量信息数据进出的媒介 。巨型机主机一般不直接管理慢速的输入输出（io）设备，而是通过io接口通道联结前端机，由前端机做io的工作，包括用户程序和数据的准备、运算结果的打印与绘图输出等。前端机一般用小型机。io的另一种途径是通过网络，网上的用户借助其端机（微机、工作站、小型大型机）通过网来使用巨型机，io均由用户端机来做。网络方式可大大提高巨型机的利用率。1.2.3巨型计算机的技术及应用并行处理是巨型机技术的基础。为提高系统性能，现代巨型机都在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并

10、行处理的技术。 1.数据类型 为便于高速并行处理， 中央处理器 的数据类型除传统的各类标量外，都增加了向量或数组类型。向量或数组运算的实质，是相继或同时执行一批同样的运算，而标量运算只处理一个或一对操作数，故向量运算速度一般比标量运算速度快得多。 2.硬件结构 现代巨型机硬件大多采用流水线、多功能部件、阵列结构或多处理机等各种技术。流水线是把整个部件分成若干段，使众多数据能重叠地在各段操作，特别适于向量运算，性能-价格比高,应用普遍。多功能部件可以同时进行不同的运算，每个部件内部又常采用流水线技术，既适合向量运算又适合标量运算。中国的“银河”机和日本的 vp/200、s810/20机进一步将每

11、个向量流水部件或向量处理机加倍，组成双向量阵列，又把向量运算速度提高了两倍。美国cyber205机的向量处理机可按用户需要组成一、二或四条阵列式的流水线，技术上又有所发展。多处理机系统以多台处理机并行工作来提高系统的处理能力，各台处理机可以协作完成一个作业，也可以独立完成各自的作业。每台处理机内部也可采用各种适宜的并行处理技术。在任务的划分与分配、多处理机之间的同步与通信和 互连网络 的效益等方面，多处理机系统尚存在不少问题有待解决。现代巨型机采用的主要还是双处理机系统（如cray-xmp）和四处理机系统（如hep）。 3.向量寄存器 为降低存储流量和频带宽度的要求，并解决短向量运算速度低的问

12、题，第二阶段的巨型机采取了向量寄存器技术。cray-1机设有8个向量寄存器,所有向量运算指令都面向向量寄存器和其他通用寄存器。为更有力地支持各运算流水部件高度并行地进行各自的向量运算，日本的vp/100和s810等第三阶段的巨型机设有庞大的向量寄存器，总容量达64k字节。 4.标量运算 标量运算速度对巨型机系统综合速度的影响极大。为此,除增设标量寄存器、标量后援寄存器或标量 高速缓冲存储器 以及采用先进的标量控制技术（如先行控制等）外，还可采用专作标量运算的功能部件和标量处理机等技术。例如,cray-1机的多功能部件中,有6个专作标量和地址运算，3个兼作标量浮点运算，标量运算速度可达每秒200

13、0万次以上；cyber205机专设标量处理机，含5个运算部件,标量运算速度可达每秒5000万次以上。在提高向量运算速度的同时，进一步提高标量运算速度，尽可能缩小两者的差距，已成为改善巨型机系统性能的重要研究课题。 5.主存储器 为使复杂系统的三维处理成为可能，要求主存储器能容纳庞大的数据量。80年代的巨型机容量已达256兆字节。为与运算部件的速度相匹配,主存储器必须大大提高信息流量。为此，主要的措施是：采取较成熟的多模块交叉访问技术,模块数量一般取2 n ,有的巨型机采用素数模新技术，以尽量避免向量访问的冲突；不断减小每个模块的存取周期，如cray-xmp机的存取周期为38纳秒，s810机虽用

14、静态mos存储器,也只有40纳秒，与双极存储相当；增加主存储器的访问端口，如cray-xmp机的每台处理机与cray-1机相比，访问端口由一个增加到四个，解决了存储访问的瓶颈问题。 6.输入输出通道 巨型机不但配有数量较多的输入输出通道，如1632个，而且具有较高的通道传输率。如cray-xmp机除一般通道外,还有两个传输率为每秒100兆字节的通道和一个传输率高达每秒1250兆字节的通道。 7.固态海量存储器 为适应特大算题的大量数据在主存储器和外存储器之间的频繁调度，新型的巨型机采用固态海量存储器作为超高速外存储器。cray-xmp机的固态存储器采用mos技术，容量为64256兆字节，传输率

15、比磁盘快50100倍。s810机的固态存储器容量为2561024兆字节，传输率达每秒1000兆字节。 8.大规模集成电路 巨型机的 逻辑电路 都采用超高速ecl电路，门级延迟约为0.250.5纳秒，芯片门数为几十至一千以上；1984年日本已研制成功4k门阵列常温砷化镓芯片，级延迟约为50皮秒；用于向量寄存器的超高速双极随机存取存储器的访问时间为3.55.5纳秒。 9.组装工艺 缩短机内走线长度和提高机器主频，是提高巨型机速度的基础。现代巨型机主频有的已达 250兆赫以上。为此，除提高芯片的集成度和速度外，还采用微组装等高密度多层组装工艺。由此而来的散热问题很突出，需要采取特殊的冷却措施。 10

16、.并行算法和软件技术 为充分发挥巨型机的系统性能，必须研究各种并行算法并研制并行化的软件系统。针对特大型科学计算的特点，巨型机通常配置如下软件：具有多重处理能力的批处理分布式 操作系统 、高效的汇编语言、向量fortran或pascal、ada语言和向量识别器、并行化标准子程序库、科学子程序库和应用程序库、系统 实用程序 、诊断程序等。第章 我国巨型计算机的发展2.1巨型计算机在我国的发展概况2.1.1中国巨型计算机之父“金怡濂”金怡濂院士1929年9月生于天津市。1947年，18岁的金怡濂在天津耀华中学毕业后以优异的成绩考人清华大学电机系。良师的谆谆教诲、4年的勤奋学习，为年轻的金怡濂日后从

17、事研究工作打下了坚实的基础。 20世纪50年代中期，为培养计算机人才。国家选派了一批品学兼优的大学生赴前苏联学习。金怡濂有幸成为其中的一员。1958年回国后，踌躇满志、年轻有为的金怡濂成为运算控制部分的负责人之一，参加了我国第一台大型电子计算机104机的研制，从此金恰濂开始了计算机研制的生涯。 在计算机研究领域，人们通常把当时性能最高、运算速度最快的一类计算机称为巨型计算机。到了20世纪9o年代，我国自己开发成功的巨型计算机的运算速度达每秒10亿次。但是，当时美国和日本的巨型计算机的运算速度已达到每秒上千亿次。为了缩小这一差距，我国决定研制“神威”巨型计算机。获此消息后科研人员激动不已在研制每

18、秒200亿次还是每秒500亿次的巨型机的问题上大家争论不休。当时 作为工作人员之一的金怡濂经过认真研究后说：“我们应当有能力造一台千亿次巨型机！而且必须有一个大的跨越，否则我们会被世界越甩越远。”金怡濂语出惊人，掷地有声。这场争论的结果是：研制千亿次巨型机的意见被采纳；金怡濂本人被任命为“神威”计算机的总设计师。 如何将计算机的运算速度由每秒1o亿次直接提升至每秒干亿次，金怡濂提出了以并行结构为基础的研制思路。并行计算机的原理是将多台计算机结合在一起，共同完成一项任务。 当时，世界巨型计算机进人快速发展时期，美、日两国先后轮番推出2o余种新机型，运算速度以千亿次为基本单位迭次上升，金怡濂提出“

19、神威”计算机出机时一定要进人世界先进行列。为此，他先后3次调整方案，并提出把“神威”机的运算速度提高到每秒3000亿次以上。这是一个带有冒险性的决定，但也是“神威”机跨入世界行列的关键性决定。 经过科研人员的不懈努力，1999年9月，由国家并行计算机工程研究中心牵头研制的“神威”巨型计算机系统终于研制成功，并投入商业运行。运算速度达每秒3840亿次。 现在天气预报都采用数值预报方法，“神威”巨型计算机在其中立下了汗马功劳，它使天气预报越来越准确。1999年9月30日，正值我国50周年国庆大典前夕，北京城阴雨绵绵，次日国庆大典时天气如何？能否保证阅兵的顺利进行？为此国家气象局使用“神威”计算机进

20、行数值运算，准确地预报了国庆节的天气，保证了大典的顺利进行。 “神威”计算机先后安装在北京高性能计算机应用中心和上海超级计算机中心，广泛运用于新药筛选、石油探测、生命科学、航空航天、材料工程、环境科学等领域 为我国的经济建设做出了巨大贡献。 目前，金怡濂院土正在研制运算速度更高的巨型机，新一代巨型机将再次实现跨越式发展，金怡濂院士将为我国巨型计算机的研制再立新功。2.1.2 中国巨型计算机发展现状从1978年，邓小平同志在第一次全国科技大会上说：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”此后，我国计算机专家奋起直追，经过几十年不懈努力，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”等高性能计算机的

21、出现，使我国成为继美国、日本之后第三个具备自行开发高性能计算机的国家。 1983年，“银河i”在国防科技大学诞生；1992年，“银河ii”10亿次巨型计算机在长沙通过鉴定；1997年，由国防科技大学计算机研究所研制的“银河iii”并行举行计算机在北京通过国家鉴定。“银河iii”并行巨型计算机袭用在用访存指令直接访问全局共享分布存储器，基于三维环网拓扑的宽带、低延迟通信、mpp资源管理与处理机调度、可移植pdi框架的并行i/o软件、面向多种语言、多目标机的具有统一中间代码结构的高性能优化编译，巨型计算机高性能网络软、硬件设计等技术方面属于领先水平，系统综合达到当前国际先进水平。 1993年，曙光

22、1号由国家智能中心推出；1995年5月，曙光2号推出；此后陆续在1998年、1999年推出“曙光2000i”、“曙光2000-ii”超级服务器。而1999年研制出的“神威”，其高性能主要表现在，它是一种可缩放大规模并行计算机系统，其峰值运算速度可高达每秒3 840亿浮点结果，位居当今全世界已投入商业运行的前500位高性能计算机的第48位。第3章 国际先进的巨型计算机系统的发展现状3.1.1 国际巨型计算机系统top10自从1964年美国control data corporation公司推出世界首台巨型机cdc 6600以来，由于受科学研究和工程计算的需求牵引，国际巨型计算机技术发展迅猛，其峰

23、值性能已从30多年前的每秒百万次上升到今天的每秒40万亿次（即日本nec公司的“地球模拟器”系统），平均每10年提高三个数量级。像其他领域一样，国际巨型机界也有个500强排行榜，它从系统性能、技术方向、制造技术、应用领域等多方面反映了全球实用巨型机计算机的最新发展。分析2002年11月16日发布的第20次世界top500巨型机排行榜，从中可看出当前国际巨型机的发展状况。首先看top10：日本nec公司的“地球模拟器”系统以35.86 tflops的实测性能排名第一；美国hp公司的两台asci q系统分列第二、第三位，实测性能达到7.73tflops；ibm公司的asci白色系统以7.23 tf

24、lops的性能屈居第四；两台pc cluster系统首次进入top10，它们分别是第五位linux networx公司的mcr linux cluster xeon和第八位hpti公司的dual xeon，表明这种结构的机器性能提高较快；hp公司的两台alphaserver sc系统分列第六、七位；进入top10的另两个新系统是ibm 公司的pseries 690，排名第九、十位。入选本次top10的最低实测性能已达3.2tflops。第一位第二位第三位第四位第五位3.1.2 国际巨型计算机系统500强从top500的总体情况看：实测性能超过1tflops的系统有47台，峰值性能超过1tflo

25、ps的系统有100台，说明万亿次级的巨型机系统已得到越来越广泛的应用；500台系统的总实测性能为293tflops，入围系统的最低性能为195.8gflops；工业用巨型机系统为226台，研究类系统115台，学术类102台，保密领域32台，自制自用16台，政府部门9台；在结构上，标量巨型机为463台，向量巨型机为37台；就优势产品而言，hp公司以112台系统位居第一，ibm公司以105台系统列第二，sun公司84台列第三位；美国以46%的安装使用台数、51%的总性能和91%的制造产品仍占居着世界巨型计算机霸主地位。为占领世界巨型机领域的制高点，夺取信息技术优势，世界各发达国家，特别是美国和日本

26、，不惜投入大量的人力、物力和财力，发展巨型计算机。发展巨型机的源动力来自政府行为和市场驱动两个方面。出于科技发展和国家安全的需要，美国能源部的加速战略计算计划（asci），在过去几年中已先后完成了从万亿次到12万亿次的4台超级计算机，并计划近期成30万亿次系统，2004年达到100万亿次。日本是继美国之后巨型机研究力量最强的国家，重点研制大规模并行机和并行向量机，除40万亿次“地球模拟器”系统外，日本计划在2005年研制完成130万亿次的“宇宙模拟器”。另一方面，在市场驱动下，超级计算机正从科学计算向经济和商业各个领域扩展，用于商业的超级计算机，其数量急剧增加，最高性能已突破万亿次。目前国际上

27、关于巨型机系统的近期目标（2004年左右）是开发百万亿次系统，远期目标（2010年前）是开发千万亿次系统，表1列出了未来几年国外将推出的先进巨型机系统。表1 未来国外将推出的先进巨型计算机系统名称峰值性能cpucpu数量完成时间投资方cray 红色风暴40万亿次amd opteron16000个2004年sandiacray x1（原sv2）52.4万亿次定制msp4096个2003年nsa/dod富士通 hpc250085.1万亿次sparc64 v16384个2003年富士通公司ibm asci紫色100万亿次power512544个2004年美国能源部ibm 蓝色行星150万亿次powe

28、r516384个2005年美国能源部ibm 蓝色基因/l360万亿次powerpc44065536个2005年美国能源部ibm 蓝色基因/p1048万亿次powerpc440104万个2007年ibm公司第4章 超级计算机的展望1. mpp结构仍是主流体系结构mpp系统由于突破了冯诺伊曼机顺序执行的限制，系统性能随处理器数量增加而增强，能最大限度地提高计算速度，并且系统的性价比高，为众多用户创造了使用超级计算机的条件。从最新top500排名表来看，峰值速度超过3 000亿次的25台超级计算机清一色为mpp系统。由此可见，mpp系统在当今的超级计算机市场已占据绝对优势，成为主流产品。其应用从科学

29、和工程计算领域扩展到事务处理、决策支持等方面。2. ssmp成为开发热点mpp系统的可伸缩性与可编程性一直是一对非常突出的矛盾。numa（非均匀存储访问)结构为可伸缩性提供了有效的解决方法，传统的snip结构则在可编程性方面具有明显的优势，这两种思想的结合形成了ssmp(可缩放共享存储多处理)体系结构，使可伸缩性与可编程性得到较好的统一，成为实现超级计算机的有效途径之一。3. 向量机继续发展20世纪80年代，以cray系列为代表的向量机一直是超级计算机领域的主流产品，它占据着超级计算机90%的市场。进人90年代以后，由于受物理极限的限制，向量机的时钟周期进一步提高难度很大，加上研制周期长、开发成本高等诸多因素，向量超级计算机开始走下坡路。对此，业界曾有人预言:向量机(包括pvp)已日落西山，最终会被市场淘汰。然而从1998年sgi/cray和nec公司的行动来看，向量超级计算机的前途并非如此暗淡。sgi/cray于2005年6月1