高性能计算平台可行性报告

1、高性能计算平台可行性报告目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc507449015 1 高性能计算机简介 1 高性能计算机简介1.1 什么是高性能计算机高性能计算机，或称超级计算机，是一套计算性能强大，具有大规模存储空间和完整的软件系统，并且价格十分昂贵的计算机，是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。其性能远超普通的个人计算机和通用服务器，具有无与伦比的计算能力。高性能计算机通过并行计算来实现超高的计算性能，并行计算即将多个处理器通过网络连接，并以一定的方式将其有序地组织起来，同时对多个任务或多条指令、或对多个数据项进行处理，以达到快速求解一

2、个计算问题的目的。高性能计算机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。目前的高性能计算机的主要架构是集群架构。集群架构是将大量的服务器通过专用网络连接起来，让所有的服务器协调工作来完成一个计算任务。在用户看来，整个集群就是一台高性能计算机，管理和操作就像管理一台计算机一样简单。不同的是这台计算机具有超强的计算能力。1.2 为什么需要高性能计算机高性能计算机构建的主要目的有两个：其一是缩短计算时间。某些科研计算任务，仅凭一台或者几台服务器来进行运算，可能需要几个月、几年或者更长的时间。如果说科研人员把时间都浪费在等待运算结果上，科学研究就没有进步的可能。而利用

3、由大量服务器构成的集群架构的高性能计算机来进行计算，会大大缩短计算时间。就好像一个人砌一堵墙需要10天，10个人砌这堵墙只需要1天，而240个人砌这堵墙，只需要1个小时。缩短计算时间的典型例子就是人类基因组计划。人类基因组计划是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美、法、德、日和中国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组测序计划。该计划要揭开组成人体4万个基因的30亿个碱基对的秘密。其中中国从1999年9月到2000年4月，用时八个月完成了其中1的测序工作，即完成人体第3号染色体上3000万个碱基对的工作草图。而这1%的工作就是在高性能计算机上完成的。像人类基因

4、组计划这样的超大计算需求的项目，必须在高性能计算机上完成，否则可能100年的时间也无法解开人类基因的秘密。高性能计算机第二个目的就是扩大求解规模。一般的计算机，比如说我们的笔记本，一般只有2G-4G的内存容量。如果一个科研计算任务需要将80G的数据放入内存进行计算，那一般的计算机就无能为力了。而利用由大量服务器构成的集群架构高性能计算机，可以提供超大的内存空间，来求解超大规模的计算任务。打个比方来说，如果想要召开一个10万人参加的会议，就必须使用非一般的超大会议室。从目前科学研究的趋势来看，越来越多的科学研究依赖于用计算机来进行模拟和计算，而科学研究的计算需求和规模也在不断扩大，促使高性能计算

5、机技术也在不断发展，未来几年很快就会出现每秒钟运算1万万亿次的高性能计算机。科学研究和计算技术互相促进，推动着人类社会的不断进步。高性能计算机性能衡量标准高性能计算机的主要衡量标准就是一秒种之内能够完成的计算次数，主要的描述方式为两种：理论浮点计算峰值（Flops）：每秒钟理论双精度浮点计算次数，是描述一套HPC系统最主要的参数实际浮点计算峰值（Flops）：每秒钟实际双精度浮点计算次数，即可以描述HPC系统计算性能，又可以描述HPC系统的运行效率目前业界对HPC系统实际浮点计算峰值的测试方法一般是用LINPACK软件做基准测试。LINPACK是国际上最流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的

6、Benchmark（基准测试软件），通过对HPC系统采用高斯消元法求解一元N次稠密线性代数方程组的方法进行测试。TOP500是一个为高性能计算机提供统计的 HYPERLINK /wiki/%E7%BB%84%E7%BB%87 o 组织 t _blank 组织，主要针对高性能计算机制造商、用户和潜在用户。TOP500从1993年开始对高性能计算机用LINPACK程序进行基准 HYPERLINK /wiki/%E6%B5%8B%E8%AF%95 o 测试 t _blank 测试,取前500个最优质的系统进行排序，每年2次（6月，11月）在高性能界的两大盛会ISC和SC大会上公布，同时在www.TO

7、P500.org网站上公布。从目前TOP500排行榜可以看出，目前高性能计算早已进入万亿次时代。1万亿次/s即是1000 Gflops或1Tflops。一般稍具规模的HPC系统的理论浮点峰值都是以万亿次/s（Tflops）作为基本单位比如说，2010年底中国排名第一、世界排名第二的高性能计算机“天河一号”，它的实际双精度浮点计算能力为2560万亿次/s，即每秒钟能够实现2560万亿次的计算。高性能计算机可以做什么高性能计算机的应用极大的推动了世界科研发展的进程，无数的重大科技进步都离不开高性能计算机的支持，例如：人类基因组计划：测定组成人类染色体中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘

8、制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息、从根本上治疗疾病的最终目的。机械设计：从美国的曼哈顿计划，到中国的神州七号，HPC为航天器设计提供了强有力的支持；大飞机、汽车、舰船、工程机械的设计也离不开HPC的辅助。石油勘探：作为HPC使用最多的领域，石油的寻找绝大多数利用HPC进行高效率的模拟。交通、医疗、工业制造、基础学科研究，一切最新的科技发展都有HPC在背后的支持。中国得益于政府的持续投入和科研人员的不断努力，在高性能计算系统数量稳步增长的同时，也取得了如下重大科研成果：超级杂交水稻研究：将普通水稻产量提高多倍，目前亩产水稻可达900公斤，成功解决中国粮食问题。

9、医疗研究：实现多种新药的自主研发。面对新出现的病毒可以最快时间进行研究并找到治疗方法。2004年，中国科学家在世界上首次完成SARS病毒灭活疫苗I期临床研究，证明疫苗是安全的，并初步证明有效。机械设计：利用HPC进行计算机辅助设计帮助中国汽车产业快速腾飞，2010年中国汽车产量达到了1500万辆，居于世界首位。航天器制造：中国神州七号飞船成功实现载人航天，使得中国成为第三个载人航天成果的国家。计算科学已经成为21世纪最重要的技术领域之一，它对整个社会的进步起着基础性的作用。高性能计算机面向的应用涵盖了绝大多数科研领域和实用领域，包括：计算密集型应用（Computing-intensive)：大

10、型科学工程计算，数值模拟等。应用领域：石油、气象、CAD/CAE、生命科学、核能、制药、环境监测分析、系统仿真等。数据密集型应用（Data-intensive)：数字图书馆，数据仓库，数据挖掘，计算可视化等。应用领域：图书馆、银行、证券、税务、决策支持系统等。通信密集型应用（Network-intensive)：协同工作，网格计算，遥控和远程诊断等。应用领域：网站、信息中心、搜索引擎、电信、流媒体等。1.2.1 高性能计算与石油勘探就像人体组织的存活离不开血液一样，现代化工业的发展也离不开石油。这种被人们誉为“黑色黄金”的自然资源不但可提炼出各种交通工具及机械必需的燃料，还是服装、药物、塑料制

11、品等多种日用物品的重要工业原料。它的供应充足与否乃至价格的每一丝波动，都可能左右全球经济形势的变化。石油在现代工业体系中扮演的这种关键角色，以及它不可再生和短期内难以被其他资源取代的特点，促使各个国家将找到更多石油储藏视为首要任务。具体担负这一重任的，则是石油勘探业务。这项业务的目标是要在地表数千米以下的地层中找到油田的位置。其效率和投资回报率的提升，往往需要强大的技术支持，而性能不断跃升、成本持续下降的高性能计算系统，就是今天它所需技术中必不可少的组成部分。高性能计算如何助力石油勘探在高性能计算商业化趋势的推动下，为勘探业务大规模布署和应用高性能计算已成为当今各国的共识。在很多人的印象中，找

12、石油通常是要先行勘测出一片地下可能储有石油的区域，然后再在这个区域内打许多口井，并查看到底哪口井能够出油。其实人们认识中的这种石油勘探作业方式在今天早已过时。这种方式通常使用的是传统的地质学方法和地球化学方法来勘测，其结果是很不精确的。由于油田在地下并不是以所谓“油海”的形式存在，而是由一个个彼此隔离的“葡萄串”组成的，因此在不够精准的勘测结果面前，人们只能多钻井进行尝试，而且只有将油井钻到一个储有石油的“葡萄”顶部，才算是大功告成。然而，钻井的费用是非常高昂的，每打一口油井，其花费往往都会达到百万美元甚至是千万美元。为提高石油勘探的能力和效率并降低其成本，石油勘探者很快就开始在勘探中采用了更

13、为先进的地球物理方法，尤其是地震波法。所谓地震波法简而言之就是用炸药在地面激起人工地震波，这种地震波可传入地下深处，并在碰到不同形态的岩层时形成不同的反射波，这些反射波经地面的检波器收集，转变成电子信号后可存储为数据。通过对这些数据进行计算处理，人们就能清晰地摸拟出勘测区域的地下地质构造，并找到那些存有石油或天然气的岩层的精确位置。由于地震波法勘探收集的数据通常都以TB计，因此这些海量数据的处理只有借助高性能计算机，才能在最短的时间内完成，以实现最佳的勘探效益。高性能计算计算是石油勘探领域的核心石油勘探尤其是石油地球物理勘探（简称石油物探）一直是高性能计算机技术的主要应用领域。随着人类对于油气

14、资源的需求不断提高，尤其勘探工作面临的勘探对象非常复杂，再加上为了提高精度，石油物探的测线间距越来越小，采样点也越来越多，这必然导致采集到的数据量越来越大。要处理这样庞大的数据必须要依赖高性能计算机。对于石油勘探开发技术发展而言，地震成像技术广泛应用，油藏描述技术水平不断提高，地球物理技术应用从勘探走向开发，水平井和丛式井技术广泛应用，智能油田技术的发展，集成油田管理技术的进步，这些技术都是在高性能计算机的辅助下不断发展和应用的。在油田的技术寻优、三次采油、四次采油和提高采收率等技术上，必须高性能计算作为保障；在盆地模拟、油藏摸拟、计算可视化等工作流程中，辅助高性能计算，显著提高了石油勘探准确

15、度，缩短了勘探时间，有利于获得更精确和更丰富的数据，进行三维计算分析，更精准经济快速模拟地下油气藏分布和预测油气储量的数据。从某种意义上说，高性能计算机已经成为提升石油行业勘探水平，增强国际竞争力的关键所在。石油物探技术的发展对于高性能计算机的需求是无止境的，这对高性能计算技术呈现出持续而强劲的需求，为高性能计算产业提供了一个长期稳定的市场。高性能计算与现代农业现代农业相对于传统农业而言，是广泛应用现代 HYPERLINK /view/185129.htm t _blank 科学技术、现代工业提供的生产资料和科学管理方法进行的社会化农业。在按农业生产力性质和水平划分的农业发展史上，属于农业的最

16、新阶段。其基本特征是：一整套建立在现代自然科学基础上的 HYPERLINK /view/71731.htm t _blank 农业科学技术的形成和推广，使农业生产技术由经验转向科学，如在植物学、动物学、遗传学、物理学、化学等科学发展的基础上，育种、栽培、饲养、土壤改良、植保畜保等农业科学技术迅速提高和广泛应用。现代机器体系的形成和农业机器的的广泛应用，使农业由手工畜力农具生产转变为机器生产。如技术经济性能优良的拖拉机、耕耘机、联合收割机、农用汽车、农用飞机以及林、牧、渔业中的各种机器，成为农业的主要 HYPERLINK /view/2811461.htm t _blank 生产工具，使投入农业

17、的 HYPERLINK /view/21312.htm t _blank 能源显著增加。电子、原子能、激光、遥感技术以及人造卫星等也开始运用于农业。良好的、高效能的 HYPERLINK /view/24042.htm t _blank 生态系统的逐步形成，使农业生产的社会化程度有很大提高，如农业企业规模的扩大，农业生产的地区分工、企业分工日益发达，“小而全”的自给自足生产被高度专业化、商品化的生产所代替，农业生产过程同加工、销售以及生产资料的制造和供应紧密结合，产生了 HYPERLINK /view/556822.htm t _blank 农工商一体化。现代农业的产生和发展，大幅度地提高了农业

18、劳动生产率、 HYPERLINK /view/816311.htm t _blank 土地生产率和农产品商品率，使农业生产、农村面貌和农户行为发生了重大变化。对于以农业为支柱产业的国家，加速现代农业的发展能够在短时间增强国家的农业生产和管理水平，从而增强国家经济实力。以上所提到的现代农业的种种特征，不管是农业科学技术、农业机械和农业生态环境，都离不开有一个共同的特征就是要基于科技的发展。而科技发展离不开高性能计算机这一推进器和催化剂。 高性能计算机与农业科学农业科学技术的基础是物理、化学这样的基础科学，像生命科学这样的新型学科也在不断的丰富着农业科学技术。以生命科学为例，生命科学是研究 HYP

19、ERLINK /view/157438.htm t _blank 生命现象、生命活动的 HYPERLINK /view/354564.htm t _blank 本质、特征和发生、发展 HYPERLINK /view/183124.htm t _blank 规律，以及各种 HYPERLINK /view/4579.htm t _blank 生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。其中包含了植物学、动物学、微生物学、遗传学、基因组学等子学科。这些子学科的发展可以广泛的促进像育种、生物化肥、生物农药、作物改良、土壤改良等等技术的发展。而每个子学科发展的背后，都有高性能计算机的支持。生命科学的研究对象

20、往往是蛋白质和DNA的大分子、小分子，因此其所涉及的大都是精密且准确度要求极高的高端分析。而高性能计算强大的计算性能和准确的数据分析等专业高端技术，能够满足这些科学问题的研究与发展，可为支撑这些项目继续发展与运行提供重要保障。使用高性能计算机研究效率可以提高几十甚至上百倍。例如过去利用单个CPU的工作站对一个生物大分子进行20万个小分子库的筛选需要10多天，如今采用高性能计算机仅仅只要半个小时。高性能计算机与农业机械农业机械的发展则离不开发动机设计与制造、车辆设计等，其中高性能计算机是不可替代的研究工具。原始的方式是手绘图纸后，根据图纸制造出设备原型机。对原型机进行实际的装机试验。发现问题后更

21、改图纸，再制造原型机二代。这样反复试验，直到试验成功为止。开发过程会耗费大量的人力、资源和财力。使用高兴能计算机进行设计，可以在计算机中建立模型，进行虚拟试验，通过数据和录像来分析解决问题。节约了制造时间和材料，更有利于对问题的分析，提高设计的精度和质量。在进行模拟时，需要考虑到材料刚度、韧度、受力变形情况等等因素，产生的数据量需要海量的计算性能，只能通过高性能计算机来进行求解。高性能计算机与农业生态环境现代化的农业日渐专业化及商品化，传统农业的自给自足、靠天吃饭的生产方式，已经无法在农产品市场的竞争中取得优势。必须形成高效能的农业生产生态系统，在满足国内人民生活需求的基础上，进一步面对日益激

22、烈的市场竞争。农业生态系统的范围十分广泛，可能涉及的因素包括：气候因素：虽然农业经历了几千年的发展，气候仍然是影响农业生产效率的关键因素。不同的地理位置，在一年的不同时间，都有不同的气候条件，适合种植的农作物也不一样。另外，随着时间的推移和气候的变化，已有的模式也不一定适合几年后的情况。这些都需要综合考虑。地表环境：不同的地表适合种植不同的作物，平原或山地、湿热或干冷、肥沃或贫瘠、土地元素构成的不同都会影响作物的产量。市场因素：从国际农产品期货市场可以看出，各种农产品价格的变化十分频繁，农产品的价格直接影响到主要种植该农产品农户或国家的经济利益。商业因素：在农业专业化及规模化的今天，农业逐渐向

23、工业化生产模式靠拢。建设怎样的农业生产管理体系和经营体系来精确控制生产的进销存、精细化加工、人员、财务等各个方面，是摆在农业规模化经营前面的一个难题。在现代化农业生产中，以上所有的问题是结合在一起施加影响的，形成一整套农业生态系统。需要使用计算机对以上因素进行模拟和控制，来促进整个农业生态系统的健壮性。而大量的因素带来的海量的计算和存储需求，也需要高性能计算机来应对。农业是人类“母亲产业”，养活并发展了人类。社会生产的发展首先开始于农业，在农业发展的基础上才有工业的产生和发展，只有在农业和工业发展的基础上，才会有第三产业的发展。农业的地位和作用可以用一句话来概括“国民经济的基础”。利用高性能计

24、算机大力发展现代化农业，是迅速提高国家农业水平，增加国家农业收益的有力途径。依次为基础，才能进一步发展工业以及第三产业，壮大国家经济实力和综合国力。高性能计算与生命科学生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。它是一个非常庞大的学科，几乎所有与生命有关的学科都可以归结为生命科学，而化学、物理学、显微镜、质谱仪、高性能计算机等都是生命科学的重要工具。生命科学涵盖范围十分广泛，可以分为如下几类：按生物类群或研究对象来分 植物学、动物学、微生物学、病毒学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等等。研究的生命现象或生命过程

25、来分 形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、生态学、进化学、组织学、细胞学、病理学、免疫学等等。 按生物结构的层次来分 种群生物学、细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、量子生物学等等。 与生物和医学相关的技术学科 遗传工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、组织工程、克隆技术、生物信息技术生命科学涉及到的领域包括：基因组信息学 基因测序，序列拼接基因组序列信息的提取和分析基因的发现与鉴定蛋白质空间结构模拟与预测分子模拟技术 蛋白质空间结构预测药物分子设计靶分子的确定 药物分子设计基因芯片设计基因芯片，蛋白质芯片，组织芯片电镜分析分子结构研究21世纪是生命科学迅猛发展的时代，利用基因技术培育

26、的转基因食品已经摆上了普通民众的餐桌；基因方法已经开始挽救患者的生命；克隆技术的重大突破，已使动物的复制成为可能。人类数千年来的梦想正随着生命科学发展逐一实现，随着物理学世纪让位于生命科学世纪，世界还将会有更多的奇迹出现。可以预计，在发展和危机并存的21世纪，生命科学将成为自然科学的带头学科。分子生物学将在生命科学中保持主导地位；细胞生物学还将作为生命科学的基础科学继续发展；脑科学将代表生命科学发展的一个高峰；基因组计划、基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程将带来农业、食品、医药和化工等领域的革命，产生难以估量的社会效益和经济效益。生物技术的飞速发展及其广泛的应用前景，将使生物产业成为全社会

27、的产业支柱。生命的奥秘是无穷的，在探索生命的过程中，强大的高性能计算机也是必不可少的。随着基于基因、蛋白质和DNA的微观生命科学研究越深入、应用面越广，计算机和信息技术的作用也越大，许多最大规模的高性能计算机和集群系统都应用于这一领域。从亲子鉴定到药物筛选再到H1N1流感疫苗研制等等，都离不开生命科学和背后的高性能计算机。基于基因、蛋白质和DNA的微观生命科学研究越深入、应用面越广，计算机和信息技术的作用越大、生命科学领域的计算机市场规模也越大。HPC在生命科学领域就具有广泛的应用，例如基因组信息学、蛋白质空间结构模拟与预测、药物分子设计、基因表达的调控、基因功能的预测、芯片表达和数据分析等。

28、高性能计算中心可以用于数值模拟蛋白质、分子结构，可以快速研发生物医药，可以把研制时间由原来的十几年缩短到几年，将为人类攻克艾滋病、癌症等顽疾提供更多机会。重点研究方向为癌症、艾滋病、心血管病的药物和治疗的模拟计算，包括新药发展过程的模拟计算；虚拟筛选，靶点的发现和确证，生物大分子的动力学模拟，药物发现网格；生命科学探索的模拟计算：蛋白质蛋白质和蛋白质核酸的识别和组装，大系统和整个功能单元，长时间（微秒）分子动力学模拟，基因变迁产生的缺陷和修复，量子生物化学和DNA链等。高性能计算与计算机辅助工程（CAE）CAE(Computer-Aided Engineering)计算机辅助工程是用计算机辅助

29、求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE的目标是“用最低的成本模拟真实”。CAE分析主要包括前处理、计算分析和后处理三个过程:前处理主要是建立问题的几何模型、网格划分、建立数值模型、确定边界条件和初始条件等。计算分析是对建立的模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分。后处理则是以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理。利用高性能计算机进行涡轮发动机设计就是CAE应用的一个很好的例子。涡轮发动机是一种利用旋转的

30、机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是 HYPERLINK /view/71190.htm t _blank 内燃机的一种。涡轮发动机常用作大型飞机、大型船舶和重型车辆的发动机。大推力的涡轮发动机的自主设计，对XXX军事和经济都有着非常重大的意义。涡轮发动机是大型飞机和船舶的核心部件，是建造自主设计大型飞机和船舶的基础。涡轮发动机的自主研发成功，既可以建造本国自己的战斗机、大型运输机、大型客机等高端飞行器，也可以自主建造驱逐舰、战列舰以及大型远洋油轮等船舶。自主开发可以避免在技术上受制与人，避免必须花费巨大的经济代价进口国外的大型设备。 另外，在民用领域，发动机是汽车领域技术最密集的 H

31、YPERLINK /view/396589.htm t _blank 关键部件，更是自主开发轿车制造 HYPERLINK /view/1273948.htm t _blank 企业核心竞争力，是不可互换的资源，“得发动机者得天下”。在高端发动机领域，更成为少数跨国汽车巨头“独享的盛宴”。具备 HYPERLINK /view/1629744.htm t _blank 涡轮增压技术的发动机，具有体积小、动力强、节能 HYPERLINK /view/13704.htm t _blank 环保、可靠性高等特点，同 HYPERLINK /view/21863.htm t _blank 排量发动机采用涡轮

32、增压技术后，可提高功率30%-100%，且在环保方面具有明显优势，因此成为世界发动机技术的一种趋势。设计涡轮发动机，HPC是不可替代的工具，使用HPC进行工业设计，可以大大降低设计难度以及实验成本，提高设计精度和设计质量。建立高性能计算中心的必要性在当今社会，高性能计算在一个国家的重要性越来越明显，计算科学已经成为21世纪最重要的技术领域之一，它对整个社会的进步起着基础性的作用。高性能计算中心的建设对国家保持科学研究领导地位、提高经济竞争力以及维护国土安全、提升国际地位发挥将会发挥重要作用。当代高技术的发展依赖于理论、实验、计算三大手段的进步，开展科学与工程计算的设备和技术的先进程度，已经成为

33、衡量其科学技术实力的重要标志。Internet的兴起和广泛应用，有力地促进了网络环境下的科学研究和应用发展，正在改变着人类社会的面貌。未来的应用需要在广大的地域范围内快捷、便利地发现、交流、共享信息和知识的能力，需要海量（PB级）的数据存储能力和百万亿次乃至千万亿次级（Pflops）的计算处理能力，需要有效的信息融合能力和协同解决复杂问题的能力，需要保证高度可靠安全服务的能力，这些要求对计算机系统和计算机网络的性能提出了前所未有的要求，也改变了人们对计算机的传统认识，即从封闭、孤立、互不兼容的系统向互通、互联、互操作，能提供聚合处理能力的网络计算环境即计算网格发展。高性能计算机是世界公认的高新

34、技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一，高性能计算发展及应用水平正日益成为一个国家科研实力的重要标志之一，在高性能计算领域处于领先地位就等于占领了未来发展的制高点。它在航空航天、气象预报、石油勘探、信息研究、生命科学、材料工程和基础科学研究、行业的信息化、数据大集中等方面都具有重要的意义，计算能力是一个国家综合实力的体现，当今世界强国几乎全部是计算的强国。高性能计算历来被视为国家实力的象征，代表着一个国家计算机的发展水平，与趋于白热化的“登月热潮”相比，全球HPC TOP500排名的竞争丝毫不逊色，且有愈演愈烈的趋势。6月23日，2012国际高性能计算机年会(International Su

35、percomputing Conference)将举行，最新一期HPC全球500强排名新鲜出炉。关于高性能计算机研究与应用最为明显的国家应该是美国，从全球高性能计算机排行榜TOP500中便可以看出。也正是因为有了这些高性能计算机让颇具实力的国家发展的更快。高性能计算机除了涉及工业、农业等领域，在国家安全、国防科技方面的应用也尤为强烈，而高性能计算机的工业标准也曾经长时间被国外企业霸占。在TOP500排行榜的榜单中，美国、德国、印度、法国、日本等国的高性能计算机应用排名比较靠前，光是美国就占据了TOP10中的半数以上，证实了美国在全球信息化建设领域的强国地位。高性能计算机的应用变得越来越广泛，同

36、时应用领域也更多元化，越来越多的国家也正在视图打造属于自己的高性能计算研究中心，树立厂牌。从全球高性能计算机排行榜当中，我们看到的不仅仅是几款产品性能的比拼或者是几大IT厂商之间的“斗艳”。从深层次上来看，透过TOP500排行榜可以看到一个国家一定时期内高性能计算机的生产数量和应用情况，而正是这些反映了一个国家关于高性能计算机的研制水平，上升到科学技术水平和经济实力。因此，建立的这套高性能计算中心不仅对于的科研水平和大学教学有着重要作用，更对进行高性能计算应用水平的提高有重大意义。高性能计算中心建设意义计算科学已经成为21世纪最重要的技术领域之一，它对整个社会的进步起着基础性的作用。高性能计算

37、中心的建设对国家保持科学研究领导地位、提高经济竞争力以及维护国土安全、提升国际地位发挥将会发挥重要作用。提升科研实力高性能计算与计算密集型应用越来越密不可分，已成为机械制造、量子力学、天气预报、气候研究、分子建模、物理仿真、密码分析等领域的重要手段。近年来科研水平不断提升，在科研的众多方面都对计算能力有个强大的需求。建造国家高性能计算中心，可以广泛的应用于各行各业，包括：1大型及复杂机械的制造模拟2生物医药和生命科学领域3材料领域的模拟计算4热核聚变等离子体物理和聚变能源5大气与气候6宇宙起源、天体物理和地球科学7物质的基本结构8化学过程动力学与催化9多尺度计算方法的研究提高经济竞争力(根据该

38、国特点做相应修改)国家经济竞争力是指一个国家在世界经济的大环境下，创造增加值和国民财富的可持续增长的综合能力。具有优势的产业主要包括：机器制造业, 化学和石化工业,电子工业等。这些产业所涉及到的机械设计和基础学科的研究，是高性能计算机所应用的主要学科。借助高性能计算机的帮助可以大幅度提高的机械制造水平和科技水平，生产出更有竞争力的产品，提高国家经济竞争力。提升国防实力国防安全是国家安全的重要组成部分，是一国安全的支柱和基本保证，也是维护一国国际地位的重要依托。如何保障国民经济，国防安全，公共信息化所需要的高性能计算机就是一个不得不考虑的问题。高性能计算在国家安全领域中也有很多重要应用，包括核武

39、器物理的实验室模拟、航天航空器模拟、高性能常规武器的性能改良和其它有关国家安全重大问题。提高国际地位高性能计算机用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科技发展水平和综合国力的重要标志。国内外高性能计算机发展和应用实践证明了，高性能计算机能够为国家的科学技术、国计民生和国家安全提供强大的支撑。高性能计算中心可提升的科研实力数值模拟与理论和实验三位一体是促进21世纪科学研究和技术开发的三大支柱。今天我们所面临的计算机应用现状是大量的计算资源闲置，大量的软件偶尔使用，大量的数据被封闭“孤岛”上而不能共享，导致人们花费大量金钱去重复生成、获取。应用提出的互通、共享、协同的需求与割据、封闭的计算机

40、应用的现状形成强烈的反差，迫切要求我们改变现状，建设面向21世纪的新型计算环境。在目前的国际形势下，建立国家级的高性能计算环境已成为保障国家安全的重要措施。在中国已经以在北京、上海、合肥、武汉、成都等地建立了8个国家高性能计算中心。它在航空航天、气象预报、石油勘探、信息研究、生命科学、材料工程和基础科学研究、行业的信息化、数据大集中等方面都具有重要的意义。这些国家高性能计算中心为中国的科研水平提升起到巨大的推动作用。高性能计算正在变得与计算密集型应用越来越密不可分，已成为石油勘探、量子力学物理、天气预报、气候研究、分子建模、物理仿真、密码分析等领域的重要手段，而只有百万亿次以上级别的高性能计算

41、系统才能帮助这些领域取得更加精湛的成就。根据全球高性能计算500强排名的性能指向，10亿亿次的系统将于2016年出现，而且百亿亿次(Exascale)级别的高性能计算系统有可能于2019年出现。近年来科研水平不断提升，在科研的众多方面都对计算能力有个强大的需求。通过建造这套高性能计算中心，可以广泛的应用于各行各业。1高速大飞机和高马赫数的飞行器主要包括气动力学效率和稳定性；机身和发动机的先进材料、本构特性的模拟计算和设计；发动机内高效率燃烧过程，特别是高马赫数下发动机的超燃过程的模拟探索；高速大飞机和高马赫数飞行器的模拟计算设计。2生物医药和生命科学领域20世纪是生命科学迅猛发展的时代，尤其是

42、最后20年，它的发展速度之快更加令人瞩目。利用基因技术培育的转基因食品已经摆上了普通百姓的餐桌；基因方法已经开始挽救患者的生命；克隆技术的重大突破，已使动物的复制成为可能。人类数千年来的梦想正随着生命科学发展逐一实现，随着物理学世纪让位于生命科学世纪，世界还将会有更多的奇迹出现。可以预计，在发展和危机并存的21世纪，生命科学将成为自然科学的带头学科。分子生物学将在生命科学中保持主导地位；细胞生物学还将作为生命科学的基础科学继续发展；脑科学将代表生命科学发展的一个高峰；基因组计划、基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程将带来农业、食品、医药和化工等领域的革命，产生难以估量的社会效益和经济效益。生

43、物技术的飞速发展及其广泛的应用前景，将使生物产业成为全社会的产业支柱。生命的奥秘是无穷的，在探索生命的过程中，强大的高性能计算机（HPC）也是必不可少的。随着基于基因、蛋白质和DNA的微观生命科学研究越深入、应用面越广，计算机和信息技术的作用也越大，许多最大规模的高性能计算机和集群系统都应用于这一领域。从亲子鉴定到药物筛选再到H1N1流感疫苗研制等等，都离不开生命科学和背后的高性能计算机。基于基因、蛋白质和DNA的微观生命科学研究越深入、应用面越广，计算机和信息技术的作用越大、生命科学领域的计算机市场规模也越大，许多规模最大的高性能计算机和集群系统都应用于这一领域。HPC在生命科学领域就具有广

44、泛的应用，例如基因组信息学、蛋白质空间结构模拟与预测、药物分子设计、基因表达的调控、基因功能的预测、芯片表达和数据分析等。国家高性能计算中心的集群系统可以用于数值模拟蛋白质、分子结构，可以快速研发生物医药，可以把研制时间由原来的十几年缩短到几年，将为人类攻克艾滋病、癌症等顽疾提供更多机会。重点是癌症、艾滋病、心血管病的药物和治疗的模拟计算。包括：新药发展过程的模拟计算：虚拟筛选，靶点的发现和确证，生物大分子的动力学模拟，药物发现网格；生命科学探索的模拟计算：蛋白质蛋白质和蛋白质核酸的识别和组装，大系统和整个功能单元，长时间（微秒）分子动力学模拟，基因变迁产生的缺陷和修复，量子生物化学和DNA链

45、等。3材料领域的模拟计算模拟研究和理解材料的物性；探索多体系统的规律；预测和理解材料的结构和性质及其相互关系；为新材料开发和应用、新型信息的存储和传输方式、新型能源的利用手段等提供科学的依据。具体包括：超导和磁性材料，纳米材料的表面和界面效应，材料缺陷的力学性能，材料老化、脆裂、疲劳和灾难性失效，半导体材料和自旋电子学，软物质特性，材料的光学、电学、磁学特性和热效应，等等。4热核聚变等离子体物理和聚变能源热核聚变（磁约束聚变和惯性约束聚变）物理主要是高温等离子体物理。主要问题是磁约束聚变中的湍流和能量输运，宏观平衡和稳定性问题，电磁波与粒子作用的不稳定性，能量注入加热，等离子体与器壁作用问题等

46、；惯性约束聚变的激光与等离子体相互作用不稳定性和能量转换，辐射产生和输运，内爆动力学，流体力学不稳定性，高剥离态的原子物理。无论磁约束聚变和惯性约束聚变，点火和自持燃烧热核反应动力学研究是一个共同问题。5大气与气候天气数值模拟主要是了解雷暴、风暴（包括台风）、雪暴、暴雨、沙尘暴、泥石流、热波等的形成和传播，并及时预报（包括局域和灾害控制，大范围、短期和长期）。气候模拟主要是模拟气候的历史，预测今后中长期气候变化，特别是模拟大气、陆地、洋流的互相耦合界面（包括效应）的局域和全域（Global）变化。天气预报的结果，也是由高性能计算机计算而来。目前世界最高水平可预报8天,中国为5至6天。但对于中长

47、期预报特别是气候预报来说,目前世界上的高性能计算机仍然是无法满足需求的,因为天气预报的计算需要10的18次方也就是每秒百万万亿次的速度。从宇宙大爆炸起至今宇宙的年龄约为150亿年,换算成秒大概是百万万亿秒。如果每秒钟做一次运算的话,相当于宇宙大爆炸起一直算到现在。世界上一个公认的说法是,天气预报时效每增加一天,气象和计算机界需要努力10年。现在天气预报是用成千的CPU同时做天气预报的计算，如果不用并行机做计算不可能做天气预报的，因为算出来已经过了时了。一般把时效在10天以上，一个月、一季甚至一年的天气预报，称为长期天气预报。时效在一年以上的预报称为超长期天气预报。长期天气预报的准确率比短期天气

48、预报要差一些。但由于长期天气预报对人类的生活和生产（特别是农业生产）关系极为重要，故已引起世界各国的广泛关注。6宇宙起源、天体物理和地球科学模拟计算探索宇宙的发生和演化，暗物质与暗能量的分布及其与宇宙加速膨胀的关系，以及新的天体现象；解释观察到的天体现象（超新星爆炸、喷射现象、射线暴、夸克胶子等离子体问题、致密天体吸积盘特性、黑洞周围及内部特征、强磁场效应、粒子加速等）；地球科学模拟（全球地幔对流、地球发电机问题、全球区域地震波的发生和传播、计算矿藏学等）。7物质的基本结构量子场论成功地描述了物质运动的基本规律，已成为现代物理研究的基础。其最重要进展是建立了标准模型，由弱电统一理论和量子色动力

49、学（QCD）两部分组成。30多年来，这一模型在解释强、弱电磁相互作用方面取得了巨大成功。但是，随着人们认识物质内部世界愈来愈深入，标准模型也显现了许多具有挑战性问题，数值模拟的任务是：检验标准模型以及减少模型中的参数约束个数；用标准模型来发现新的现象，包括寻找Higgs粒子；探索超越标准模型的现象；与高能天体物理建立密切联系。8化学过程动力学与催化化学工程中的过程放大与小型化及其控制，化工过程计算机模拟。离散化和多尺度方法的结合解决复杂化工过程的定量模拟与优化设计问题。针对多尺度离散模拟的专用与通用相结合的高性能计算。催化反应动力学与催化剂设计中的高性能计算。9多尺度计算方法的研究多尺度非线性

50、问题是模拟计算中一个很大难点，涉及到十分广泛的研究领域（材料设计、流体湍流、等离子体物理、天体物理等等），在国家中长期规划中的重大专项、前沿高技术、基础科学问题有关科学计算都会涉及到。因此，单列一个项目进行基本问题研究，对发展模拟计算是十分必要的。除上述9个项目外，高性能计算在国家安全领域中也有很多重要应用，包括核武器物理的实验室模拟、航天航空器模拟、高性能常规武器的性能改良和其它有关国家安全重大问题。高性能计算系统在推动科技创新、经济发展、社会进步、国防安全的各个方面都会起到非常重要的作用。高性能计算中心可提高经济竞争力国家经济竞争力是指一个国家在世界经济的大环境下，创造增加值和国民财富的可

51、持续增长的综合能力。国家竞争力评价是全新的系统量化概念，从现有实力和发展潜力两方面反映一个国家或地区的整体竞争力。目前国际竞争力评价有八大要素和四大要素两种体系，国际竞争力八大要素适应发展中国家和地区，主要包括国家经济实力、国际化、政府管理、金融体系、基础设施、企业管理、科学技术和国民素质，而其中最重要的则是科学技术。具有优势的产业主要包括：机器制造业, 化学和石化工业, 电子工业等。 (根据不同国家的情况需要调整)（一）机器制造业 的机器制造业是工业的支柱和主导部门，拥有600多家企业，产值约占全国工业产值的1/4；机器制造工业具有较先进的设备和工艺技术，主要有汽车和拖拉机制造、机床制造、农

52、机制造等行业，其中重型矿山自卸车的研发和生产具有世界先进水平，世界上几乎三分之一的矿山自卸车产自白俄罗斯。 （二） 化学和石化工业 的化学和石化工业是该国工业的支柱产业。按照产品产量和从业人员的数量，排在前几位的是化纤工业、矿物化学工业（钾肥的开采）、基础化学和石化工业。这些工业企业产品，占白俄罗斯石化行业产品总量的80%，是石化工业主要的出口商品。 （三）电子工业 在电子特别是在微电子领域有着强大的研发能力和世界先进水平的集成电路制造设备生产设计基础，长期为俄罗斯尖端设备配套，并向中国提供了多套集成电路生产设备。 可见，目前经济的主要支柱是机械制造、化工和电子工业等，该类产业所涉及到的机械设

53、计和基础学科的研究，也是高性能计算机所应用的主要学科。借助高性能计算机的帮助可以大幅度提高白俄罗斯的机械制造水平和科技水平，生产出更有竞争力的产品，提高国家经济竞争力。高性能计算中心可提升国防实力国防安全是国家安全的重要组成部分，是一国安全的支柱和基本保证，也是维护一国国际地位的重要依托。如何保障国民经济，国防安全，公共信息化所需要的高性能计算机就是一个不得不考虑的问题。高性能计算在国家安全领域中也有很多重要应用，包括核武器物理的实验室模拟、航天航空器模拟、高性能常规武器的性能改良和其它有关国家安全重大问题。早在20多年前，美国就充分认识到高性能计算对国家科技发展的重要性。1983年，在美国国

54、防部、能源部、国家科学基金会及国家宇航局等部门的主持下，以著名数学家P.Lax为首的专家小组向美国政府提出报告，强调科学计算关系国家命脉，是国家安全、国民经济发展和科技进步的关键支撑技术，呼吁政府加大对科学计算和高性能计算机的投入，确保美国在这一领域的历史性领先地位。美国国家科学基金会自1985年起，连续五年累计拨款2.5亿美元，支持科学计算的发展。随后，为了鼓励科技人员对高性能计算的研究与应用，美国采取了一系列强化措施，包括在国家自然科学基金、NASA基金以及国家重大科技和攻关项目基金中把当时全国五大计算中心的计算机机时作为基金的一部分，以此鼓励科学与技术界充分使用高性能计算机进行模拟计算，

55、增进用户与设计者的沟通，推进高性能计算的效能，促进高性能计算机研制水平的提升。为了在高技术发展的世界竞争中争夺战略制高点，自上世纪80年代初以来，美国从战略需求出发先后执行了三次大的高性能计算计划。第一次计划：1983年，美国国防部、能源部、国家科学基金会、NASA等部门在给美国政府的报告中阐明发展高性能计算机和科学计算的重要性，当时里根政府正好提出星球大战“战略防御倡议”（SDI）计划，白宫很快制订了“战略计算机计划”（SCP）。到80年代中后期这一计划导致了峰值运算速度达每秒十亿次的Cray超级机（向量机）和多CPU并行机等高性能计算机的问世。这些计算机用于科学研究和提高武器性能设计，特别

56、是在SDI中新概念武器的高性能计算研究方面发挥了重要作用。到了80年代末90年代初，美国高技术武器的性能大大提高。精良的武器装备使美国在90年代在世界上确立了军事霸主地位。同时也快速带动工业部门和科学研究领域的发展。第二次计划：1993年，根据美国国家科学基金会、能源部、国防部、教育部等专家们的倡议，将“高性能计算和通信”HPCC（High Performance Computing and Communication）计划作为重大挑战项目纳入总统计划。HPCC计划指出，“从以往三十多年来的科学与工程研究工作的发展看，高性能计算已成为能促进科学技术发展的一个必不可少的重要手段”。因此，该计划目

57、标是：加快创新步伐，为国民经济、国家安全、教育与全球环境提供服务。计划重点是：高性能计算机系统（千亿次到万亿次）；先进软件技术与算法；国家研究和教育网络；基础研究和人才资源等四个方面。该计划在科学和工程计算方面列举了若干重大挑战项目进行研究，包括药物设计、高速民用机、催化作用、燃料燃烧、大气环流数值模型、海洋环流数值模型、气候数值模型、臭氧消耗、数字解剖、空气污染、蛋白质结构设计、金星图像等等。这一计划的执行提升了美国近十年来基础科学、应用科学和工程设计中的重大创新能力。第三次计划：1996年禁止核试验后实施的“加速战略计算创新”ASCI计划，目的是实现以科学计算为基础的核武器库存可靠性、有效

58、性的实验室研究，以高性能计算进行虚拟核试验，同时带动基础科学的发展。主要内容是：(1)发展从万亿次到百万亿次高效率、用户满意的高性能计算机系统；(2) 发展高性能、高精度的应用软件，能三维、全物理、全系统、高逼真度模拟核武器的作用过程，应用软件的研制经费占了总经费约一半；(3) 建立解决问题的计算环境，包括如何使模拟程序高效使用计算机系统和确保科学家方便应用平台系统。为了广泛发动美国国内有竞争力的大学和其它部门科学家参与这一计划，计划提出了很多计算科学和物理科学方面复杂的理论和实践问题以吸引人才。ASCI计划明确指出，高性能计算机不应该以峰值计算速度作为衡量水平和性能的惟一指标，而应该以科学计

59、算实际应用程序的运行速度为主要的衡量指标。在高性能计算机系统上，是否获得满意的科学研究成果，应该成为衡量高性能计算是否成功的标准。配合ASCI计划的实施，1998年7月，美国国家基金委和能源部发起并组织了“美国先进科学计算研讨会”，研讨会的报告与总统信息技术咨询委员会的报告，均建议增加软件研究与开发的基金支持力度，以改进高端计算性能，并且为民用研究团体使用下一代万亿次计算机打开通道。为此，能源部向政府提交了“从先进计算到科学发现”的报告，以推进科学与工程计算。这三次计划，美国投资约百亿美元。由此可见，美国通过有效地组织和建设国家高性能计算环境，以高性能计算机系统为工具，部署开发各应用领域的高端

60、科学计算应用软件，全面推动其计算机模拟技术在各个领域的应用，带动了科学与工程技术的全面发展。通过高性能计算，美国在过去20年来获得了一系列重大科学技术成就，导致了今天各个领域的高科技产品，促进了高科技国民经济的持续发展和国防高科技武器的出现，并且获得了基础科学研究的强大创新能力。同时，日本和欧盟也都在积极推进各自的先进计算计划。2002年日本研制出地球模拟器（Earth Simulator），一度以每秒35.86万亿次的峰值计算速度在高性能计算机500强中占据首位，此后，日本又开始积蓄力量计划研制每秒能进行1万万亿次以上浮点运算的“超高速计算机”系统，试图与美国在高性能计算机领域一决高下。从上