高性能训算与高性能计算机

中阖科卷窄”计算机科学与技末系

JJarniTsrsityofScience3ndTechnologyofChinei

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高性能计算与高性能计算机

HighPerformanceComputingandHighPerformanceComputers

陈国良吴俊敏

中国科学技术大学计算机科学与技术系

国家高性能计算中心（合肥）

Email：glchen@

Homepage：http:〃www.nhpcc.us忆.

中阖科卷率”计W机科学与技系

rnTsrsityofScience3ndTechnologyofChinci

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楠要

高性能计算是一个国家的综合国力的体现，是支撑国家

实力持续发展的关键技术之一，在国防安全、高科技发展和

国民经济建设中占有重要的战略地位。计算科学已经和传统

的理论科学与实验科学并列成为第三门科学，它们相辅相成

地推动着人类科技发展和社会文明的进步。21世纪科学最重

要和经济上最有前途的研究前沿，有可能通过熟练地掌握先

进的计算技术和运用计算科学得到解决。

本报告首先简单地介绍一下高性能计算的含义、特点、

应用需求、地位和作用；接着讲述国际高性能计算机和我国

高性能计算机的发展状况；然后概略地谈一下应用实例；最

后对加速我国高性能计算及高性能计算机的发展发表几点参

考意见。

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率”计W机科学与技系

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目录

1.高性能计算的意义

2.高性能计算的发展与现状

3.高性能计算的典型应用

4.高性能计算的挑战与机遇

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率”计W机科学与技系

4於rnT丝srsityofScience3ndTechnologyofChinei

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1.富桃惚花算的意义(1)

L1高性能计算的内在含义

1.2高性能计算的应用需求

1.3高性能计算的战略地位

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国家高性能计算中心(合肥)4

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1.裔桃惚计算的意义(2)

i.i高性能计算的内在含义

■计算和计算科学

•所有的学科都转向定量化和精确化

・三大科学：理论科学、实验科学和计算科学

A计算科学是一个交叉学科,用计算的方法来解决应用问题。

A适用于理论模型复杂或尚未建立、实验费用昂贵或无法进

行。

A计算物理、计算化学、计算生物学、计算地质学、计算气

象学。

＞并行计算是跟上摩尔定律的重要手段。

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4於rnT丝srsityofScience3ndTechnologyofChinei

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1.裔桃惚计算的意义(3)

■高性能计算的含义

・高性能计算简称HPC(HighPerformance

Computing),泛指量大、快速、高效的运算。

・高性能计算主要包括：

A向量计算

A并行计算

»分布式计算

A网格计算

A元计算

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1.裔桃惚计算的意义（4）

■高性能计算的量纲

前缀缩写基幕含意数值

KiloK103Thousand千

MegaM106Million兆，百万

Gi9aG109Billion千兆,10亿

TenaT1012Trillion垓，万亿

PetaP1015Quadrillion千万亿

ExaE1018Quitillion百亿亿

Flops：每秒所执行的浮点运算次数（floating-pointoperationsper

second)

目前的PC机运算速度通常在GFbps量级，高性能计算机运算速度则在TFI叩s

至PFIops量级。

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1.裔桃惚计算的意义(5)

1.2高性能计算的应用需求

■应用需求

•计算密集型应用(Computing-intensive)：

»大型科学工程计算，数值模拟等。

»应用领域：石油、气象、CAD、核能、制药、环境监测分

析、系统仿真等。

•数据密集型应用(Dcrta-intensive)：

A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)：

A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。

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1.裔桃惚计算的意义（6）

■千万亿次超级计算机的应用需求

应用领域应用需求计算能力需求存储容量需求

生物医学蛋白质电子态的计算lOOTflops30TB

药物发明中的筛选过程800Tflops200TB

蛋白质折叠IPflops1PB

航空航天制造发动机燃烧模拟和机翼设计模拟500Tflops100TB

气候环境短期天气预报20Tflops10TB

长期天气预报lOOTflops100TB

局部突发性灾难预报（如洪水、海啸）IPflops500TB

核能领域完全等离子分析（包括电子结构分析）500Tflops1PB

核武器数值模拟IPflops1PB

天然气燃烧IPflops1PB

纳米技术复合材料的结构分析和功能预测200Tflops400TB

新材料发明IPflops2PB

天体物理学超新星三维模拟IPflops1PB

国防和国家安全密码破译IPflops1PB

先进武器模拟IPflops1PB

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中阖科4窄”计算机科学与技末系

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1.裔桃惚计算的意义(7)

1.3高性能计算的战略地位

■从战略高度上讲

・高性能计算技术是一个国家综合国力的体现。

・高性能高计算是支撑国家实力持续发展的关键技术之一。

・高性能计算国防安全、高科技发展和国民经济建设中占

有重要的战略地位。

,重大挑战问题：飞机设计、药物设计、全球气候预测、

人类基因、海洋环流新材料、生物分子结构、半导体建

模、超导建模等。

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1.裔桃惚计算的意义（8）

■高性能计算在发达国家的战略地位（1）

•美国有关发展高性能计算的建议报告

A从1982年到2005年，美国国防部、能源部、国家科学院、

国家科学基金委以及美国总统信息技术顾问委员会、美国

信息技术咨询委员会、美国国家竞争力委员会等提出的有

关信息技术和计算机的建议报告中，大都涉及到了高性能

超级计算机的内容。

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1.裔桃惚计算的意义（9）

■高性能计算在发达国家的战略地位（2）

＞清单（按年代排序）

/1982年，美国国家科学院：《关于科学研究及工程中的大规模计算》

/1993年，美国国家科学院：《从台式计算机到万亿次计算机：充分发挥美

国在高性能计算领域领导权》

/1995年，美国国家科学院：《特别工作组关于未来国家科学基金委超级计

算中心计划报告》

/1996年，美国总统信息技术顾问委员会：《信息技术研究：为了未来》

/2000年，美国国家科学院：《促使信息技术更好》

/2001年，美国国家科学院：《无处不在》

/2002年，美国国防部：《适用于国家安全部门的高性能计算》

/2003年，美国能源部：《基于科学的大规模模拟》

2003年，美国国家科学基金委：《通过计算机基础结构变革科学与工程》

2003年，美国国家科学基金委：《信息时代的知识丢失》

/2004年，美国国家竞争力委员会：《促使美国变革并提高竞争力》

2004年，美国跨机构：《联邦高端计算计划一高端计算复兴特别工作组》

/2005年，美国国家科学院：《超级计算机未来》

2005年，美国总统信息技术顾问委员会：《计算科学：确保美国竞争力》

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i.富桃怩花算的意义no；

・高性能计算在发达国家的战略地位(3)

•美国发展有关高性能计算的行动计划

A1993年，美国科学工程技术联邦协调理事会：《HPCC(High

performanceComputing&Communication)GrandChallenged计

戈U,提出发展万亿次(Tera=10i2)计算机计划。

A1996年，美国能源部和LawrenceLivermore、LosAlamos>Sandia

三大核武器国家实验室：《ASIC(AcceleratedStrategicComputing

Initiative)计划，提出发展千万亿次(Pera=10i5)计算机的目标。

>1997年,HPCC包括了HECC(HighEndComputing&

Communication),被扩展为CIC(Computing,Information,

Communication)计戈！J。

>1998年度的CIC蓝皮书，将千万亿次计算机硬件和软件研制列入

了计划中。

>2002年启动HPCS计划，希望确定未来10到20年超级计算机的体系

结构。

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ofScienceandTechnologyofChina

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1.裔桃惚君兽的意义（11）

■高性能计算在发达国家的战略地位（4）

・美国1996年提出的ASC工（AcceleratedStrategicComputing

Initiative）计戈（J。

A通过数值模拟，评估核武器的性能、安全性、可靠性等。

A高分辨率、高逼真度、三维、全物理、全系统的规模和能力。

A计划研制5代计算平台，目前，前四代已完成，第五代平台正在研制。

＞随着第一个十年研究结束，已经开始为下一个十年发展制订规划。

WittiNuclearExperimentsWithoutNuclearExperiments

U

启

•Willitworkasdesgned?•Willitcontinuetoworkasitages?

•IsthesimulaDongoodenoughtonsk•Isthesimulationadequateformaking

thecostofanuclearexperiment?decisionsaffectingnabondsecurity??

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中阖也晒彳名计算机科学与技术系r

tyofSciencecirdTechnologyofChirici

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1.富桃怩花算的意义(12)

高性能计算在发达国家的战略地位(5)

•ASC工平台性能发展图

S

Q.O

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中阖科卷计算机科学与技术系

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1.富桃怩花算的意义（13）

高性能计算在发达国家的战略地位（6）-ASCI高性能计算机

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1.富桃怩花算的意义(14)

■高性能计算在发达国家的战略地

位(7)

・美国2002年启动的千万亿次

超级计算机研究HPCS计划距aiystsC

A从2002年起的两年多时间里，ES占Industa

.PerformanceProgramming

据TOP1位置CharacterizationModels

艮Prediction

Hardware

>Cluster并不是HPC的最终体系结构SystemTechnology

ArchitectureSoftware

>美国DARPA于2002年启动高生产Technology

率计算系统(HighProductivity

ComputingSystems)HPCS计划I

-希望确定未来10年甚至20年的高HPCSProgramFocusAreas

性能计算机体系结构

-高生产率而非峰值计算能力作为

评价指标

-高性能计算的一个新的创新时代

的开始

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中解阖源科改M称?计w机科学与技术系，

ofScienceandTechnologyofChirici

DEPAFeTi/iEUTOrCDMPUTEFdEiCJErlCEAUDTEDHUDLOGf

1.富桃怩花算的意义（15）

■高性能计算在发达国家的战略地位（8）

•HPCS计划的二个阶段

HPCSProgramPhasesI-IIInARPA

EarlyAcademiaEarly

MetricsandProducts

BenchmarksSoftwareResearchPilot

HPCS

Capabilityor

Products

Application

Analysis

Performance

Assessment

Industry

Readin

FiscalYear

Rev-ews

\PhaseIPhaseIIPhaseIII

IndusiryProcurement

\IndustryR&DFullScaleDevelopment

CntcalProgramConceptStin

Milestones

国家高性能计拿18

RBG04*11103

个中国科岂计算机科学与技术系

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1.富桃怩花算的意义（16）

■高性能计算在发达国家的战略地位（9）

•HPCS的设计策略

iviuuDin

Symmetric

ParallelrnTtorocessorsHPCSFocus

Shared-MemoryVectorDistrinb|edShared

Multi-ProcessingMeRloryTailorableBalancedSolutions

Performance

Characterization

Massively&Precision

Distributed-MemoryPara唳ISystemHardware

Multi*ComputingProcessorsArchitectureTechnology

“MPI”ferSiGdtls

VectorCommodity

SupercomputerHPC

SinglePointDesignSolutions

AreNoLongerAcceptable

RBG04/11/0311

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1.富桃怩花算的意义（17）

■高性能计算在我国的战略地位（1）

J2006年2月，国务院发布《国家中长期科学和技术发

展规划纲要（2006〜2020年）》

•指出加速发展高性能计算对提高我国国防建设与国

家安全、国家经济建设、国家重大工程和基础科学

研究等尖端科技领域的核心支撑能力，具有十分重

要的战略意义。

•提出要全面提升我国的自主创新能力，以期将我国

在2020年前建设成为一个创新型国家。

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1.富桃怩花算的意义（18）

・高性能计算在我国的战略地位（2）

•中国高性能计算发展大事记

1983年，由国防科技大学研制的银河I型亿次巨型机系统的成功问世，标志着我国具备

了研制高端计算机系统的能力。

1992年，曙光投入200万元研制曙光一号。随后，曙光一号、曙光1000、曙光2000、曙

光3000、曙光4000相继问世。

1994年，银河I的换代产品银河II在国家气象局正式投入运行，其系统性能达每秒10亿

次，大大缩短了我国与先进国家的差距。

1997年，银河IH并行巨型计算机在北京通过国家鉴定，峰值性能为每秒130亿浮点运算。

1999年，首台“神威I”计算机通过了国家级验收，并在国家气象中心投入运行。

2000年，由1024个CPU组成的银河IV超级计算机系统问世，峰值性能达到每秒1.0647万

亿次浮点运算。

2002年,世界上第一个万亿次机群系统联想深腾1800出世，获得2004年国家科技进步

二等奖。

2003年,联想深腾6800问世把世界机群计算推向新的高峰。

2004年,曙光4000A成功研制，使中国成为继美国、日本之后第三个能研制10万亿次商

品化高性能计算机的国家（进入TOP500前10位）。

2005年，中国高性能计算机性能TOP100排行榜揭晓，曙光位居第一。天梭荣获国家科

学技术进步二等奖。

2006年，曙光高性能计算机被胡锦涛总书记点评为“中国七大标志性自主创新成果之

一”，曙光4000系列高性能计算机荣获国家科学技术进步二等奖。

2007年12月，中国首台采用国产高性能通用处理器芯片“龙芯2F”的万亿次高性能计

算机“KD-50-I”研制成功。

2008年6月24日，中国科学院计算技术研究所、曙光公司和上海超级计算中心在中科强

计算所联合举行了曙光5000落户上海超级计算中心的签约仪式。

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中阖科生叼汇考计算机科学与技术系r

TTvSrsityofScisncsandTechnologyofChirici

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1.富桃怩花算的意义（19）

■高性能计算在我国的战略地位（3）—国产高性能计算平台

神威-1.

国家高】22

军降叼害计w机科学与立方系，

TvefsiiyofScienceandTechnologyofChina

'ARTidZiJTOFCOMPUTERSCJErJCSArJDTECHHOL.QDf

2.之植惋计算的发展与规次（D

2.1高性能计算机的发展

2.2高性能计算机的现状

2.3高性能计算面临的主要问题

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国家高性能计算中心（合肥）23

陋中阖产布M叼2计W机科学与技京系，

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2.裔楸M计案的发展与现吠(2)

2.1高性能计算机的发展

■历史回顾

ENIACCDC6600D00D000

2008D0D

D00DD20D00D0DD9MFlops

0DD0D0DDDD2000DD0IntelENDEAVOR

TOP5000D4640IntelD05100D00D0PetaODDD0DDD

ODDTeraFlopDDD6.85TeraFlopMPLinpackD#68

92980Intel00IIO000DTOP500

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中阖幽晒彳名计算机科学与技术系r

JS3tyofSciencecirdTechnologyofChirici

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2.寒桃怩君算的发展与现技(3)

■发展过程中的主流技术

/E制机器

ES

机群友版

发

MPPNOW,IBM

向量机鼎CraySP2,ASCIQ

盛T3E

CRAY-

巨型机萌1,

CDC6

60

607C00

国家高性能计算中心(合肥)■■25

中阖科卷计算机科学与技术系

ofScienceandTechnologyofChina

rjEPARTi/iEiJTDrCOf/IPUTEFi□DJErlCEAUDTEDHiJDLDDf

2.裔楸M计案的发展与现吠（4）

■两类构造高性能计算机的方式

•采用定制部件•采用商用部件

A价格较高（小于1B$A利用每年80B$的市

市场）场优势

A对大规模或通信密A对一些计算密集任

集的任务进行了优务有很好的性能

化设计>MPP/机群

»并行向量机

NECSX-6(Japan)CrayX-1(formertySV-2)

国家高性能计算中心（合肥）

中阖也晒彳名计算机科学与技术系r

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2.裔楸M计案的发展与现吠(5)

VectorUnit：8set*

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