高性能计算与高性能计算机

、中国科生金7飞计养机科学与技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

高性能计算与高性能计算机

HighPerformanceComputingandHighPerformanceComputers

陈国良

深圳大学计算机与软件学院

国家高性能计算中心（合肥）

国家高性能计算中心深圳分中心

中国科里7飞计养机科学与技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT»4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

摘要

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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打&rsityofScisncsandTechnologyofCnirik

EUT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAHOTECHNOLXlEr

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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7飞计养机科学与技才系

5g的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

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1.离犍怩计算的意义（i）

i.i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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口FCDf/IPUTERSCJEMCEAHOTECHNOLXlEr

1.之桃怩计真的意义(2)

1.1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。

»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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DKPARTMEtITDFCOMPUTERSCJEHCEAtIDTECHNOLXltSf

1.方樵怩希耳的意义(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：

＞向量计算

＞并行计算

»分布式计算

A网络计算

»网格计算高性能计算

»云计算

厂■\厂

向量计算并行计算分布式计算网格计算元计算

yyIy＜1

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口FCDf/IPUTERSCJEMCEAHOTECHNOLXlEr

1.之桃怩计真的意义(4)

■高性能计算的量纲

前缀缩写基塞含意数值

KiloK103Thousand千

MegaM106Million兆，白力

GigaG109Billion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-pointoperationspersecond

)

目前的PC机运算速度通常在GFIops量级，高性能计算机运算速度则在TFIops

至PFIops量级。

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1.裔植惚必靠的意义(5)

L2高性能计算的应用需求

■应用需求

•计算密集型应用(Computing-intensive):

A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(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。

A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.之桃怩计兵的意义（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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F-yfirTsrsit7ofScienceBindTschriologyofCcr\ur•ic*

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1.裔植惚必靠的意义(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、油藏数值模拟、生物分子

结构、半导体建模、超导建模等。

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1.之桃怩计真的意义（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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―计算讥科学与技术系I

Scisncscine!Tsch^ologyofChina

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1.裔桃惆计算的意义(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》

国家高性能计算中心(合肥)2011-1-812

专计募机科学与技才系

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1.裔桃惚行事的意义HO；

■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I，

提出发展万亿次(Tera=l(p2)计算机计划。」

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

三大核武器国家实监室：《ASIC(AcceleratedStrategicComputing

Initiative)>计划，提出发展千万之次(Pera=l()i5)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。

>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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1.之桃怩计真的意义(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)计划。

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。

Witt)NuclearExperimentsWithoutNuclearExperiments

Willitwartasdesgned?Willitoortinuetoworkasitages?

IstheSimula!)ongoodenoughtoriskIsthesimulanonadequateformaking

thecostofanudearexperment?decisionsaffectingnaliondsecurity?

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1.裔桃惚行事的意义(12)

■高性能计算在发达国家的战略地位(5)

•ASG平台性能发展图

国家高性能计.

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iSFffvsrsityofScisncsandTechnologyofChina

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1.裔植怩计算的意义(13)

■高性能计算在发达国家的战略地位(6)—ASC工高性能计算机

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1.之桃犍计真的意义(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

A从2002年起的两年多时间里，ES占

据TOP1位置

>Cluster并不是HPC的最终体系结构

>美国DARPA于2002年启动高生产

率计算系统(HighProductivity

ComputingSystems)HPCS计戈U

-希望确定未来年甚至年的高

1020HPCSProgramFocusAreas

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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1.裔桃惚行事的意义(15)

■高性能计算在发达国家的战略地位(8)

•HPgs计划的三个阶段

HPCSProgramPhasesI-IIIPAPPm

VMM*HMMIIHMI・X

EarlyAcadennaEarly

MetricsandProducts

BenchmarksSoftwareResearchPilot

HPCSToolsPlatformsPlatforms

Capabilityor

ProductsA'A

equirements

ApplicationandMetrics

Analysis

Perfonnance

Research

AssessmentS'JistemPrototypes

Conceptsign&PilotSystems

Reviewsiew二DR

Industry

PIasell

Read:n(ssReviewsPhase：ilReadinessReview

FiscalYear0240708

\PhaseIPhaseIIPhaseIII

IncusnyProcurement

\IndustryR&DFullScaleDevelopment

CnbcalProgramCAcceptStui

国家高性能计方Mifes:ones

R5GWilQ3

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1.裔桃惚行事的意义(16)

■高性能计算在发达国家的战略地位(9)

•HPCS的设计策略

IVIUUD2

Symmetric

ParallelfUhi^rocessorsHPCSFocus

Shared-MemoryVectoizDistribthedShared

Multi-ProcessingTailorableBalancedSolutions

Penormance

Characterizationogramming

Massivi&PrecisionModels

Distributed-MemoryParalMSystemHardware

Multi-ComputingProcessArchitectureTechnology

“MPl”

VectorCommodity

SupercomputerHPC

SinglePointDesignSolutions

AreNoLongerAcceptable

RBG04/1W311

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1.裔桃惚行事的意义(17)

■高性能计算在我国的战略地位(1)

2006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.方樵惋计f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HI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院

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。

国家高性能计算中心(合肥)2011-1-8

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、中国科织计募机科学与技才系

TIvsrsityofScisncsandTechnologyofChine*

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1.裔植怩计算的意义（19）

■高性能计算在我国的战略地位（3）—国产高性能计算平台

国家高”天河1号（THT）

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京考计算讥科学与技才:系

小智rnv3srsityofSciencecindTechnologyofChina

DEPAFJTfdEtITQFCOMIPUTERSCIENCEAlIDTECHNOUDWr

2.由桃惋计寡的发展与规技(1)

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

国家高性能计算中心（合肥）2011-1-823

、中国科豺计募机科学与技才系

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ErITOFCOMPUTERSCJEMDEAlIDTECHNOUDOf

2.由桃怩花耳的发展与规技（2）

2.1高性能计算机的发展

■历史回顾

ENIACCDC6600:第一台成功的

2008年左右

主存中只有20个数超级计算机9MFlops

（世界上最快的，直到2000年都在IntelENDEAVOR

TOP500中）464个Intel志强5100系列处理器Peta规模高性能计算机,

第一台TeraFlop"i十算机6.85TeraFlopMPLinpack,#68

9298个Intel奔腾II志强处理器TOP500

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中国科卷土计募机科学与技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EPAFJTPlEtITOFCOMPUTER=；C)£：HCEAMDTECHNOLXJI3f

2.由桃怩花耳的发展与规技(3)

6000

国家高性能计算中心(合肥)802

。微25

、中国科出计募机科学与技才系

F-yfiTvsrsit7ofScience叁门dTechnologyofChica

TMEtJTDFCOMPUTERSCJErlCEAtIDTECHNOLXIWf

2.之被惚行事的发展与观技（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$»利用每年80B$的市

市场）场优势

»对大规模或通信密»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

A并行向量机

NECSX-6(Japan)CrayX-l(formerlySV-2)

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2.裔被惚行事的发展与观技（5）

VectorUnit8set«

differenttypeo<vectorpipelines

tvectorregisters(256vectorelements)

并行向量机构造方式7maskrsgisrers(256bits)

•PVP采用全定制部件

»定制的高性能向量处理

器（Gflops）

»节点内多体交叉共享存

ScalarUnit

,4-waysupfirscalar