高性能计算技术及其应用
作者：迟学斌赵毅
(中国科学院计算机网络信息中心北京 100080) 摘要简要介绍了当前高性能计算机、并行算法、并行编程环境和高性能
计算应用的国际研究现状和发展趋势，阐述了近几年中科院高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展情况，最后对我院发展高性能计算技术及应用
给出了几点思考。
关键词高性能计算技术，并行算法，并行编程环境
高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。随着信息化社会的飞速发展，高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。在一些新兴的学科，如新材料技术和生物技术领域，高性能计算机已成为科学研究的必备工具。同时，高性能计算也越来越多地渗透到石油工业等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。
1 国际研究现状和发展趋势
1.1 高性能计算机
电子计算机在诞生之初主要就是为科学计算服务的。到20世纪60年代，随着技术的成熟，计算机开始走向商业领域，且应用范围越来越广。为有别于“通用计算机”，专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为
“高性能计算机”(HPC)。
1.1.1 高性能计算机发展历史
20世纪70年代出现的向量计算机可看作是第一代HPC，通过在计算机中加入向量流水部件，大大提高了科学计算中向量运算的速度。其中较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列和中国的银河一号及中科院计算所的757计算机。80年代初期，随着VLSI技术和微处理器技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破，“性/价比”而非单一性能成为衡量HPC系统的重要指标。90年代初期，大规模并行处理(MPP)系统已开始成为HPC发展的主流，MPP系统由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。代表性系统有TMC的CM-5、Intel Paragon、中科院计算所的曙光1000等。较MPP早几年问世的对称多处理(SMP)系统由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成，早期的SMP和MPP 相比扩展能力有限，不具有很强的计算能力，但单机系统兼容性好，所以90
年代中后期的一种趋势是将SMP的优点和MPP的扩展能力结合，发展成后来的CC-NUMA结构，即分布式共享内存。其代表为Sequent NUMA-Q、SGI-Cray Origin、国内的神威与银河系列等。在发展CC-NUMA同时，机群系统(Cluster)也迅速发展起来。机群系统是由多个微处理器构成的计算机节点通过高速网络互连而成，节点一般是可以单独运行的商品化计算机。机群系统比MPP具有更高的性价比，其代表是IBM SP2，国内有曙光3000、4000，联想深腾1800、
6800等[1，3]。
1.1.2 高性能计算机研究现状与发展趋势
每年6月和11月发布的TOP500一直是全球HPC领域的风向标[4]，排行榜的变化折射出全球HPC在技术和应用方面的研究现状和发展趋势。第28届全球TOP500 HPC排行榜于2006年11月14日在美国召开的SC06大会上正式对外发布，最新排行榜反映出如下一些新的变化。
(1)总体性能趋势。TOP500组织称，最新全部500套系统的总体计算性能将达到3.53千万亿次每秒(Pflops)，而半年前只有2.79Pflops，一年前是2.30Pflops。能够进入TOP500 HPC系统的Linpack性能已从半年前的2.026万亿次每秒(Tflops)上升到2.737Tflops。而进入前100位的系统Linpack 性能则从半年前的4.713Tflops上升到6.619Tflops。
(2)美国霸主地位牢不可破， TOP10美国占7套。美国仍然是HPC的最大用户，在研发和应用领域都遥遥领先。此次TOP500排行榜中，一共有309套安装在美国，美国在HPC领域的综合发展水平依然是全球第一，其全球霸
主地位仍然牢不可破。
欧洲有所复苏，共有92套系统，超过亚洲的79套，重回第二位。在欧洲，英国是最大用户，拥有30套系统，其次是德国，拥有18套。亚洲最大的用户是日本，拥有30套，而中国则从半年前的28套减少到18套。
(3)厂商：IBM和HP是最大赢家。当前TOP500中各个性能档次的大多数系统都来自IBM和HP。IBM仍然是TOP500的领导者，所占份额为47.2%。HP 为第二大厂商，占31.6%，但HP此次未能进入TOP10。份额超过3%的其它制造商为：SGI(4.0%)、DELL(3.6%)、CRAY(3.0%)，这三大厂商都有系统入选
TOP10。
(4)体系结构：Cluster大行其道，MPP不容忽视。工业标准化的机群系统Cluster仍占据TOP500 HPC排行榜的垄断地位，361套系统，占72.2%。绝大部分的机群系统来自IBM和HP，主要面向工业和商业的低端应用领域。采用星群(Constellations)结构的系统为31套，比半年前的38套有所减少。
而108套面向高端市场的MPP结构系统比半年前的98套有所回升。
(5)处理器：AMD大获增长，Inetl仍是最大赢家。目前，TOP500共有263套系统采用英特尔处理器，占52.6%，比一年前的333套(66.6%)有较大幅度
下降。形成鲜明对比的是，AMD的皓龙系列处理器从一年前的56套(占11.20%)增加到现在的113套(占22.6%)，并首次超过IBM的Power，成为现在TOP500中应用最多的第二大处理器。另有91套系统采用IBM的Power处理器(占18.2%)，而一年前只有72套(占14.4%)。另外，双核处理器也已获广泛应用。已有76套系统采用皓龙双核CPU，31套采用了英特尔最新推出的Woodcrest
双核至强。
(6)互连网络：InfiniBand增长迅速。尽管半年前有256套系统采用千兆以太网，而现在只有213套，但千兆以太网仍然是用得最多的内部系统连接技术。Myricom公司的Myrinet从87套减少到了79套。相反，InfiniBand 技术获得了迅猛增长，从半年前的36套增加到现在的78套。
(7)操作系统：Linux成为首选。Linux目前已成为HPC的首选操作系统。当前TOP500排行榜中有376套系统使用了Linux操作系统，比重为75.2%，而2001年仅有39套；相比之下，此次只有86套使用Unix操作系统，而2001年是443套。短短几年时间，TOP500 中操作系统的格局发生了翻天覆地的变
化。
网络化将是HPC最重要的趋势，网格(Gird)已成为高性能计算一个新的研究热点。网格将分布于全国的计算机、数据、存储设备、用户、软件等组织成一个逻辑整体，各行业可以在此基础上运行各自的应用网格。
1.2 并行算法和并行编程环境
并行计算是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段，它的基本思想是用多个处理器来协同求解同一问题，即将被求解的问题划分为不同的时间段，在某一个时间段内分解成若干个部分，各部分均由一个独立的
处理机来完成。
1.2.1 并行算法
算法是求解问题的方法和步骤，而并行算法就是用多台处理机联合求解问题的方法和步骤。并行算法执行过程是将给定的问题首先分解成若干个尽量相互独立的子问题，然后使用多台计算机同时求解它，从而最终求得原问题的解。并行算法作为并行应用开发的基础，在并行应用中具有举足轻重的
地位[2]。
从历史上看，20世纪70年代末和80年代初是并行算法研究的顶峰时期，最著名的成果是递归问题的向量化。随着多向量处理并行计算机(如CRAY Y-MP，YH-2)的出现，既要考虑多处理机间的任务级大粒度并行，又要考虑单处理机上向量级细粒度并行的算法在80年代初期和中期比较流行。基于SIMD 并行计算机设计的并行算法在80年代中期较热门，但因缺少通用性，过分依赖机器，程序设计复杂，随着80年代后期高性能计算机的发展，很快被淘汰。目前，并行算法的设计以MIMD类为主流，要求具有可扩展性和可移植性。90
年代中期后，并行算法研究渐渐面向实际而内容有所拓宽，不但研究并行算法的设计与分析，同时也兼顾到并行机体系结构和并行程序设计。
近几年来，随着半导体器件工艺水平的提高以及计算技术和通信网络的迅速发展，双CPU或4CPU的高档机已随处可见，HPC的普及，也给并行算法的研究带来新的机遇。同时，近几年来由于硬件技术的飞速发展，使得拥有成千上万个CPU的HPC相继研制成功，如何充分有效地利用如此巨量的CPU，成为并行算法研究面对的一个极富挑战性的问题。
1.2.2 并行编程环境
当前，比较流行的并行编程环境可分为3类：消息传递、共享存储和数
据并行。它们的主要特征如表1所示。
(1)消息传递。在消息传递并行编程中，各个并行执行的任务之间通过传递消息来交换信息、协调步伐、控制执行。消息传递一般是基于分布式内存的，但同样也适应于共享内存的并行计算机。目前，大量并行程序采用的都是基于消息传递的并行编程方式。基于消息传递的并行编程环境中，最流行的是PVM(Parallel Virtual Machine)和MPI(Message Process Interface)。
PVM[5]是由美国的Oak Ridge国家实验室、Tennessean大学、Emorg大学、CMU大学等联合开发而成，能够将异构的Unix计算机通过异构网络连接成一个“虚拟”的并行计算系统，为其上运行的应用程序提供分布式并行计算环境。目前几乎所有的并行计算系统都支持PVM。
MPI[6]是一种基于消息传递的并行编程接口，而不是一门具体的语言，目前已发展成为消息传递模型的代表和事实上的工业标准。1997年7月在原来MPI-1的基础上推出了MPI的扩充部分MPI-2，MPI-2主要扩充了3个方面：并行I/O、远程存储访问和动态进程管理。MPICH是Linux平台下最重要的一种MPI实现，是一个与MPI规范同步发展的版本。LAM(Local Area Multicomputer)是Linux平台下另一免费的MPI实现。所有的并行计算机制
造商都提供对MPI的支持。
(2)共享存储。共享存储并行编程主要利用添加并行化指令到顺序程序中，由编译器完成自动并行化。共享存储模型仅被SMP和DSM并行计算机所支持。共享存储的编程标准包括Pthreads、X3H5和OpenMP等，其中OpenMP
是最常用的共享存储并行编程方式。
OpenMP[7]是一组指令与所支持的运行时库例程的集合，用来支持多线程应用的编程。Intel、IBM、HP、Sun、SGI等厂商都提供对OpenMP的支持。OpenMP使用简单，通过少量指令，程序员就可将串行程序顺利地演化成并行程序，但要求编译器必须能够支持OpenMP。
(3)数据并行。数据并行编程指的是将相同的操作同时作用于不同的数
据，从而提高问题求解速度。数据并行提供给程序员一个全局的地址空间，所采用的语言本身就提供有并行执行的语义，程序员只需要简单地指明执行什么样的并行操作和并行操作的对象，就实现了数据并行的编程。
数据并行很早就被应用于向量计算机，可高效地解决大部分科学与工程计算问题。但对非数值计算类问题，则难以取得较高的效率。目前，数据并行面临的主要问题是如何实现高效编译，只有具备了高效的编译器，数据并行程序才可以在共享内存和分布式内存的并行计算机上取得高效率。
近年来，HPC体系结构的一个发展趋势是SMP(symmetric multiprocessor)机群系统，其是由拥有多个处理器的SMP节点和连接各节点间的快速网络(Infiniband、myrinet、QSnet等)构成的多级体系结构，所以MPI+OpenMP的混合编程越来越多地被采用。MPI+OpenMP的混合编程采用MPI 作为消息传递接口，而OpenMP作为编写多线程的API(应用程序接口)，即机群级并行使用MPI实现，MPI+OpenMP多级并行编程的应用在很多领域已获得
较大成功。
1.3 高性能计算应用
回顾计算机问世半个多世纪的历史，高性能计算应用与高性能计算技术的发展是密不可分的。一方面，计算机技术的发展为高性能计算应用提供了强大工具和物质基础，应用开发也推动了高性能计算技术本身的发展。高性能计算技术被广泛地应用于核武器研究和核材料储存仿真、生物信息技术、医疗和新药研究、计算化学、天气和灾害预报、工业过程改进和环境保护等许多领域。值得注意的是游戏等娱乐领域近年来已逐步成为HPC新的用户。
近年来高性能计算在工业和制造业领域的应用越来越普遍和广泛。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优
化已成为标准的必经步骤和手段。
国外的HPC应用已具有相当的规模，在各个领域都有比较成熟的应用实例。在政府部门大量使用HPC能有效提高政府对国民经济和社会发展的宏观监控和引导能力，包括打击走私、增强税收、进行金融监控和风险预警、环境和资源的监控和分析等。在发明创新领域，壳牌石油公司通过全球内部网和高性能服务器收集员工的创新建议，加以集中处理。在设计领域，好利威尔公司和通用电气公司用网络将全球各地设计中心的服务器和贵重设备连于一体，以便于工程师和客户共同设计产品，设计时间可缩短100倍。此外，制造、后勤运输、市场调查等领域也都是HPC大显身手的领域。
2 中科院的研究进展
面对暴雨、海啸、洪水、地震、SARS等不可预知的自然、社会挑战以及
各种商业风险，世界各国均倾注大量人力、物力、财力资源推动本国高性能计算的发展，我国政府、企事业、科研单位也在积极推动HPC应用的普及。中科院非常重视高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展，对发展我国
高性能计算事业起到巨大推动作用。
中科院计算机网络信息中心超级计算中心自成立以来，秉承“面向科研领域、立足服务社会、提供优质服务、推进并行事业”的方针，承担我院高性能计算软硬件环境建设任务，推动我院高性能计算应用的发展，为院内外用户提供高性能计算服务和技术支持。在高性能计算环境建设和高性能计算
应用方面取得了一定的进展。
2.1 高性能计算硬件环境建设
“十五”期间，中科院在超级计算环境建设与应用方面取得了显著成就。从几十亿次的SGI(1996年)、到近百亿次的日立(1998年)和逾千亿次的国产曙光2000-II(2000年),直至5万亿次的国产联想深腾6800超级计算机(2003年)，计算能力大幅提高。深腾6800是超级计算中心现有的最重要计算资源，用户多、应用范围广，其中70%以上的应用课题得到“863”、“973”、国家自然科学基金等国家重点项目资助，在科学计算应用中发挥了重要作用。至2005年底，深腾6800共有正式用户155个，平均整体使用率达到了89%，最高时达到96.2%，系统处于满负荷运行状态。截至2006年底，用户已达184个，平均CPU利用率79%，平均整体使用率达90%。如此高的系统负载，使得用户作业等待时间过长，折射出“十一五”期间超级计算环境建设的更大需
求和更高目标。
根据我院“十五”期间的超级计算环境建设与应用情况，结合超级计算中心多次开展的面向全院的计算需求调研分析结果，“十一五”期间超级计算环境建设的预期目标是引进一台百万亿次超级计算机及大容量存储设备，进一步提升中科院高性能计算环境的水平，满足大规模与超大规模数值模拟计算的应用需求，为院e-Science及“1+10”创新基地建设服务。
2.2 高性能计算软件环境建设
以开发高性能计算环境的科学计算与系统应用软件，建设有自已特色的高性能计算环境为目的，通过基础并行软件平台、系统应用软件与工具平台和科学计算平台这三大平台的建设，最终建立起了一个与硬件环境相配套、较为完备而有明显自我风格的基于网格的高性能计算环境。
包含9大公开并行软件包和1个自主开发并行软件包的“基础并行软件平台”为用户提供了一个并行应用程序开发的基础平台，丰富了深腾6800系统的软件资源，可供国内从事科学计算的广大人员使用，在代码编写、正确性、可移植性和性能优化等方面大大减轻了应用程序开发人员的负担。
“系统应用软件与工具平台”为用户提供了基于web的高性能计算易用
环境，融合了作业提交、信息查看、记账服务、系统管理及演示等功能，并在计算Portal的基础上，开发了环境科学、生物信息、材料科学、可视化以及计算化学等7个应用Portal，完成了14个应用的封装。该安全易用的web 化高性能计算开发应用环境的完成在国内尚属首例，对国家网格软件功能设计与系统开发具有很好的参考价值与借鉴作用。
“科学计算平台”开发出一批具有自主知识产权的科学计算应用软件，建成了一个能基于此开展科学研究、并行计算服务和技术支持、网络计算服务、计算结果可视化等工作的科学计算平台，并通过在应用领域的实践，发展和创新了高性能科学计算方法和并行软件系统及大规模并行实现技术，完善了我院科学计算环境，为建立国家科学计算网格奠定了基础。
2.3 高性能计算应用进展
深腾6800的应用领域涉及气象数值预报、地震预报、生物信息、药物设计、环境科学、空间科学、材料科学、计算物理、计算化学、流体力学、地震三维成像、油藏数值模拟、天体星系模拟等，其中70%以上的课题得到国家级重点项目的资助，在院内外的科学计算中发挥了重要作用，并作为国家网格项目北方区中心结点与上海超级计算中心及全国6个省市的大型计算机实现了异地互联。以高性能计算环境为基础，中科院超级计算中心积极与院内外的多家单位合作，取得了一系列引人注目的应用成果。
与中科院力学所非线性力学国家重点实验室(LNM)和中国地震局合作的应用课题“非均匀脆性介质破坏的共性特征、前兆与地震预报”，在成功预测2004年和2005年中国大陆地震以及南亚地震方面取得了引人瞩目的成果，并由超级计算中心帮助完成的并行化LURR地震预报程序已按国家地震局的要求移植到地震局的计算环境中，将在我国中长期地震预测预报中发挥重要作用；与中科院武汉测量与地球物理所合作的应用课题“地球重力场仿真系统研究”，其成果在2005年珠峰测高中发挥了重要作用；与中科院生态环境研究中心和中国气象科学研究院合作的应用课题“大规模科学计算在生态环境研究中的应用”，其成果为北京市城市规划提供了科学依据；与中科院空间科学与应用研究中心合作的应用课题“灾害性空间天气数值预报模式的初步应用开发”，参与了“双星计划”，为中国航天事业发展做出了贡献；与中科院过程工程研究所合作的应用课题“大规模并行粒子模拟通用软件平台的开发与应用”，其成果已经在工业应用中(如宝钢)取得显著成效。
2.4 高性能计算需求
2006年开始，超级计算中心结合中科院“1+10”创新基地和重点学科的部署，重点对过程工程、空间科学、计算化学、药物设计、材料科学、地球科学、环境科学、生物信息、流体力学、高能物理等11个应用领域的相关用户再次进行“十一五”期间的高性能计算需求调查。调查内容包括用户对计算能力(CPU、内存、网络)、存储能力(对磁盘空间的需求)及应用软件需求等
几个部分(见表2)。
在这次调查中，我院有22个科研单位的42个课题组对高性能计算提出了需求，这些课题的来源主要包括国家自然科学基金、大科学工程、“973”、“863”、中科院、上海科委、国家气象局、北京市科委等。
不同的用户分别用计算所需CPU数与每年所需总机时来表述所需要计算能力，为便于统计，我们对每个用户的计算需求统一换算为每年所需总机时数，并进一步转换为计算性能(Gflops)来表示。
据目前数据统计，以上所有学科领域总计算机时需求为129百万CPU小时，以深腾6800为参照，所对应的计算能力约为78Tflops，约用15006多个处理器。同时对应用软件以及可视化也有相当多的需求，这里不再赘述。
3 对中科院高性能计算发展的思考
(1)以用户需求为导向，加强高性能计算环境建设。高性能计算环境建设不能盲目以追求计算机峰值为目的，而应以用户需求为向导，以高性能计算的应用水平为依据，与全院的规划及创新基地建设密切结合，合理建设高性
能计算环境。
(2)加强院地合作，建立应用范围广泛的软件平台。高性能计算环境建设中，要实现软件建设和硬件建设并重，加强院内外单位的合作，加大自主软件的开发和集成力度，使高性能计算环境真正发挥应有的作用。在高性能环境的软件建设方面，我院的投入还需要增加，给其以持续不断的支持。
(3)强调计算机系统的实用效率、方便使用方面的研究。高性能计算机的问世给科学研究及工农业生产等带来了前所未有的发展，同时对使用计算机也提出了更高的要求，程序越来越复杂。因此，需要加强计算机系统研制的支持，开发易于使用的高性能计算机系统，为使用HPC的用户提供方便。
(4)注重人才培养，促进高性能应用的发展。加强自身人才培养，引进既懂专业知识又懂计算科学的复合型人才，提升服务水平，与我院的重大任务和创新基地建设相结合，选择各学科有强烈需求的重要科学计算应用问题进行重点支持。加强国内外的学述交流，邀请国际上的科学计算专家来华讲学和选派重点学科的骨干到国外学习科学计算知识，促进我院科学计算研究的
发展。
(5)寻求国内外合作，建设具有科学计算特色的网格系统。积极拓展多种形式的国内外合作，开展多种资源的有效集成和共享，共同建成科学研究所需要的网格系统，为全国各行业更多的用户提供高性能计算应用、信息查询、知识教育与学习等服务，推进中国网格技术与应用发展。
目前我院的高性能计算硬件环境已可与国际上的先进研究机构相比，但是应该看到在应用水平上还有相当的差距，提高应用水平是当务之急。
主要参考文献
1 黄凯，徐志伟著，陆鑫达等译.可扩展并行计算
技术、结构与编程.北京：机械工业出版社，2000，5.
2 张林波，迟学斌，莫则尧等.并行计算导论.北
京：清华大学出版社，2006.
3 樊建平，陈明宇.高性能计算机研究的现状与展
望.信息技术快报，2003，(5).
4 TOP500 Supercomputing Sites.http://www.
https://www.doczj.com/doc/804305433.html,.
5 PVM:Parallel Virtual Machine.http://www.epm.
https://www.doczj.com/doc/804305433.html,/pvm/pvm_home.html.
6 The Message Passing Interface (MPI) standard.
https://www.doczj.com/doc/804305433.html,/mpi/.
7 OpenMP:Simple,Portable,Scalable SMP
Programming.https://www.doczj.com/doc/804305433.html,.
[ 2007年8月13日]
浅析高性能计算应用的需求与发展 【摘要】本文阐述了高性能计算的概念，中国高性能计算的现状和发展趋势，随后，本文进一步分析了国内高性能计算应用的需求，针对目前高性能计算的应用，本文最后分析了高性能计算应用需求的展望。 【关键词】高性能计算；应用；需求；发展 一、前言 高性能计算的应用为国内的科技发展做出了诸多的贡献，因此，国内也在致力于拓展高性能计算的应用范围，从而希望进一步的促进高性能计算的发展，为我国的科学技术的不断发展提供技术支持。 二、高性能计算概述 高性能计算(HPC) 指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自InfiniBand 或Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。 三、中国高性能计算的现状与发展 20 世纪90 年代以来，随着”神威”、”银河”、”曙光”、”深腾”等一批知名产品的出现，我国成为继美国、日本之后的第三个具备高性能计算机系统研制能力的国家，被誉为世界未来高性能计算市场的”第三股力量”。我国在高性能计算机研制方面取得了较好的成绩，掌握了研制高性能计算机的一些关键技术，参与研制的单位也由科研院发展到企业界，有力地推动了高性能计算的发展。目前，我国的高性能计算环境已得到重大改善，总计算能力与发达国家的差距逐步缩小。我国的高性能计算技术拓宽了我国科学技术研究的深度和广度，提高了我国工业的生产效率，同时也节约了很多生产成本。我国的高性能计算技术目前主要在石油行业、天气预报、核能模拟、生物工程等领域得到了广泛的应用。 但是中国高性能计算的应用还不够广、不够深入，应用水平和应用效率都比较低下。我国对高性能计算应用的投入还远远不够，应用研发力量薄弱且分散，缺乏跨学科的综合型人才，从事高端应用软件研发的单位很少，企业界基本未介入，没有良好的相互交流的组织渠道等。高性能应用软件的开发和高效并行算法研究尚不能与高端计算机发展同步，在一定程度上存在为计算机”配”软件的思想。我国高性能计算应用的研究与发明明显滞后于高性能计算机的发展。国外品牌还占领着很多关乎国计民生的关键领域和行业，国产高性能服务器的市场份额仍然偏低。
概述 1 近年来计算机硬件的飞速发展和软件的进一步成熟，并伴随着的流行和高性能计算机的利用以及低耗费高速Internet 网络的发展，使计算机网络成为单个统一强大的计算机资源的梦想正在逐步成为可能。所谓网格，是指将机群、(Grid)超级计算机、大规模存储系统、数据库以及其他地理上分散的特殊仪器设备，甚至个人计算机等所有的计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等连接起来作为单个统一资源使用。从而能够方便快捷地解决各种复杂的问题。继实现了计算机硬件的连通，实现了Internet Web 网页的连通，试图实现互联网上所有的资源全面连通，Grid 掀起第次网络技术浪潮。因此有人也称网格为第代因特33网。 但是必须注意到，我们平常所接触的信息中，地理空间信息的比例可以占到左右80%[1]，然而地理空间信息在网上传送的信息中所占的比例却远未达到这一数字。这是因为作为专业处理地理信息的管理信息系统——地理信息系统，，虽然应用领域日 (Geographical Information System GIS)益广泛，却严重滞后于网络技术发展的速度，绝大多数系统仍运行在单机环境下，即便是上了网，也基本还停留在C/S 结构的专用局域网上，无法为社会大众使用。随着计算机网络、计算机通信等技术的发展，研究的重点已经由传统GIS 的数据结构和算法的研究转移到网络和分布式GIS(WebGIS)上。 GIS 但是基于协议的万维网并不能很好地解决人们TCP/IP 在地理空间信息共享方面所出现的问题，主要是由于分布式数据环境中协议的点对点传输优点变成TCP/IP (Peer-to-peer)了缺点，使万维网上出现了大量的信息孤岛。在最近几年中“数字地球”、“数字城市”成为了发展的方向，实践GIS 证明，传统的技术已经不能解决“数字地球”、“数字城市”的实时处理和信息共享问题，因为它们需要能够使地理 空间信息提供者能够实时地将地理空间信息提供给最需要的用户、而地理空间信息使用者又能够知道哪里能够找到急需的地理空间信息，当前的分布式技术还远未达到这种要GIS 求，必须在具有异构性、可扩展性(Heterogeneity)、动态自适应性和多级管理域等特(Scalability)(Adaptability)点的网格技术的基础上，这种情况下，网格计算的并行处理优势突出显示出来，基于网格计算的应运而生，构建新GIS 一代的网络地理信息系统——网格成了研GIS(GridGIS)GIS 究的一个主要方向。 网格计算及其研究进展 2 网格计算是将一个网络中众多计算机资源在同一时间用于单个问题的处理，通常是用于需要极大量计算机处理周期或访问大量数据的科学或技术问题[2]。网格计算可以看作分布式大规模集群计算和网络分布式并行处理的一种形式。它可以局限在一家公司内计算机工作站的网络上，或者是一种公众的协作在此情况下，有时也被认为是一种对等计算的(形式。事实上，有许多应用，包括协同工程，数据查询，)高吞吐量计算，理所当然还有分布式超级计算都将会受益于网格基础结构的发展。根据所言，网格是一个无Larry Smarr 缝的、集成计算的、协同的环( Integrated computational ) 境[3]。网格的功能可以被等分成两个逻辑网格：计算网格(和访问网格。计算网格可Computational grid)(Access grid)以提供虚拟的、无限制的计算和分布数据资源。访问网格将提供一组协作环境。 从世纪年代末期以来，网格研究就吸引了众多的注2080意力。很多国家都投入了大量研究资金，希望能抓住机遇、 掌握未来的命运。从美国、日本等发达国家到印度这样的发 GridGIS ——基于网格计算的地理信息系统 王铮 1,2 ，吴兵 1 （．华东师范大学城市与环境信息科学教育部开放实验室，上海；．中国科学院科技政策与管理科学研究所，北京） 1 2000622100080摘要： 讨论了网格计算的有关概念及其最新的研究进展，并在此基础上提出了基于网格计算的地理信息系统－的概念、特点及其GridGIS 体系结构。旨在解决目前地理空间信息的共享严重滞后于网络技术发展的速度而得不到有效利用和应用并没有像所预期的那样深入人们GIS 生活的方方面面的困惑。 关键词：网格计算；地理信息系统；网格GIS —— GridGIS Geographical Information System Based on Grid Computing WANG Zheng 1,2, WU Bing 1 (1. Geocomputation Open Laboratory, Ministry of State Education of China, East China Normal University, Shanghai 200062; ，2. Institute of Policy and Management Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080) 【】Abstract ，，This paper suggests a GridGIS model . In the model, parallel computing and heterogeneity scalability adaptability of GIS are considered as key problems which need GridGIS to solve; besides, multi-level structure of GridGIS has been suggested in the model.【】Key words （）Grid computing; Geographical information system GIS ; GridGIS 第29卷 第4期Vol.29 № 4计 算 机 工 程Computer Engineering 2003年3月 March 2003 ? 基金项目论文? 中图分类号： TP 212.2文章编号：1000—3428(2003)04—0038—03 文献标识码：A —38—
XXXX 高性能计算平台建设方案 XXXXX 2013年4月
目录 1 概述 (2) 1.1 背景概况 (2) 1.2 建设内容 (3) 1.3 设计原则 (3) 2 总体架构 (5) 3 高性能计算平台硬件系统 (6) 3.1 平台架构图 (6) 3.2 主要设备选型 (8) 3.3 Cluster集群系统 (9) 3.4 计算节点 (10) 3.5 管理节点 (10) 3.6 I/O存储节点 (11) 3.7 网络系统方案............................................................................... 错误！未定义书签。 3.8 管理网络 (12) 3.9 监控网络 (12) 3.10 存储系统 (12) 4 高性能计算平台软件系统 (13) 4.1 64位Linux操作系统 (13) 4.2 集群管理软件 (14) 4.3 作业调度系统 (14) 4.4 并行文件系统 (15) 4.5 集群并行计算环境 (15) 4.6 标准库函数 (16) 4.7 标准应用软件 (16) 5 项目经费预算 (17) 5.1 经费来源 (17) 5.2 经费支出预算 (17) 附页——高性能计算平台技术参数要求 (18)
1概述 1.1背景概况 20世纪后半期，全世界范围掀起第三次产业革命的浪潮，人类开始迈入后工业社会——信息社会。在信息经济时代，其先进生产力及科技发展的标志就是计算技术。在这种先进生产力中高性能计算机（超级计算机）更是具有代表性。 时至今日，计算科学（尤其是高性能计算）已经与理论研究、实验科学相并列，成为现代科学的三大支柱之一。 三种科研手段中，理论研究为人类认识自然界、发展科技提供指导，但科学理论一般并不直接转化为实用的技术；实验科学一方面是验证理论、发展理论的重要工具，另一方面，它是在理论的指导下发展实用技术，直接为经济发展服务；计算科学的发展也有相当悠久的历史，只是在计算机这一强大的计算工具问世之前，计算只能利用人类的大脑和简单的工具，计算应用于科学研究有天然的局限性，限制了它作用的发挥；随着计算机技术的发展，使用科学计算这一先进的技术手段不断普及，逐渐走向成熟。科学计算可以在很大程度上代替实验科学，并能在很多情况下，完成实验科学所无法完成的研究工作。科学计算也直接服务于实用科技，并为理论的发展提供依据和机会。在许多情况下，或者理论模型过于复杂甚至尚未建立，或者实验费用过于昂贵甚至不允许进行，此时计算模拟就成为求解问题的唯一或主要手段了。 目前，高性能计算已广泛应用于国民经济各领域，发挥着不可替代的重要作用： a) 基础学科中深入的知识发现，问题规模的扩大和求解精度的增加需要更高性能的计算资源。例如，计算立体力学、计算材料学、计算电磁学。 b) 多学科综合设计领域中大量多部门协同计算需要构建高性能的综合平台。例如，汽车设计、船舶设计。 c) 基于仿真的工程科学结合传统工程领域的知识技术与高性能计算，提供经济高效地设计与实践方法。例如，基于仿真的医学实践、数字城市模拟、核电、油田仿真工具、新材料开发、碰撞仿真技术、数字风洞。
网格计算理论及其应用 胡科 电子科技大学应用数学学院，四川成都（610054） 摘要：本文从理论角度，阐述网格概念、网格的标准化趋势、OGSA的体系结构、网格计算及其应用，并介绍了网格在我国的主要应用项目。 关键词：网格；网格标准；网格计算 1. 概述 网格（Grid）在欧美出现于20世纪90年代，是新一代高性能计算环境和信息服务基础设施，采用开放标准，能够实现动态跨地域的资源共享和协同工作。网格作为解决分布式复杂异构问题的新一代技术，其核心是实现大规模的地理上广泛分布的高性能计算资源、海量数据和信息资源、数据获取和分析处理系统、应用系统、服务与决策支持系统，以及组织、人员等各种资源的共享与聚合。网格被誉为继传统Internet、Web之后的“第三次信息技术浪潮”，成为互联网发展的第三大里程碑。这次技术革新的本质是WWW（World Wide Web，万维网）升级到GGG（Great Global Grid，全球网格）。如果说传统Internet实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，网格则是试图实现互联网上所有资源的全面连通。网格在科学研究、商业应用等领域有着广阔的发展前景。 2. 网格的概念 2.1 狭义的“网格观” 美国Argonne国家实验室的资深科学家、Globus项目的领导人、堪称“网格之父”的Ian Foster曾在1998年出版的《网格：21世纪信息技术基础设施的蓝图》一书中这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强，让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”。2000年，Ian Foster在《网格的剖析》这篇论文中把网格进一步描述为“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解决问题。”。2002年7月，Ian Foster在《什么是网格？判断是否网格的三个标准》一文中，限定网格必须同时满足三个条件：(1) 在非集中控制的环境中协同使用资源；(2) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口；(3) 提供非平凡的服务。 2.2 广义的“网格观” 意指GGG，它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格，还包括一些已有的网络计算模式，如P2P（Peer-to-Peer Computing，对等计算）等。 不管是狭义还是广义的“网格观”，其目的不外乎是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑整合成一台“虚拟的超级计算机”，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、存储资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。 3. 网格的标准化趋势 随着网格研究的深入，人们越来越发现网格体系结构的重要。网格体系结构是关于如何
高性能计算的现状与发展 高性能计算中心需求特点与发展趋势
目录 1.1 高性能计算的现状与发展 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 高性能计算中心需求特点与发展趋势 (13) 1.2.1 需求特点 (13) 1.2.2 技术发展趋势 (14) 2
1.1高性能计算的现状与发展 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国 3
制造行业中的高性能计算主要应用及其特点 制造行业的高性能计算用户主要分成两类：1) 实际制造企业，如汽车设计制造厂商、航空工业企业、电力企业及消费产品生产商等。这一类用户通过高性能计算技术来提高产品的性能，减低成本，同时缩短产品的设计、生产周期，以使企业在市场上更具竞争力；2）研发单位，如政府、国防和大学中涉及制造行业的部门或专业。这一类用户的目标是利用高性能计算技术改善设计方法，提高设计水平从而为实际生产服务。 下图给出了制造行业中采用计算机进行产品开发的流程，包括建模、前处理（模型修改和网格生成）、计算分析、交叉学科综合及后处理几个部分。其中高性能计算主要应用于计算分析部分，统称为计算机辅助制造工程（MCAE ）。 MCAE 可以分为隐式有限元分析（IFEA ）、显式有限元分析（EFEA ）和计算流体动力学（CFD ）三个子学科，如下图所示。几乎所有的制造企业的高性能计算都依赖于独立软件开发商（ISV ）提供的商业软件，只有计算流体动力学中结构网格计算类型的软件是以用户自己开发为主。因此制造行业中的高性能计算具有与教育科研领域不同的特点，用户在购买硬件平台的同时通常会购买相应的科学计算软件产品，而且在某种程度上往往是应用软件的特性决定了硬件平台的选择。 建模
下表中给出了MCAE常用的应用软件，并列出这些软件的特点、可扩展性及其对系统要求。从表中可以看到，隐式有限元分析（IFEA）软件的可扩展性不好，通常不会高于10个处理器。这是由隐式算法本身决定的，因为采用隐式算法的程序并行通常是细粒度的并行，并行开销要远大于可以采用粗粒度并行的显式算法。针对其可扩展性有限的特点，为这类用户推荐系统时可以考虑p650，p655，及p670这样中档服务器。另外显式有限元分析（EFEA）软件和结构网格计算流体动力学（CFD Structured）软件对CPU的性能要求很高，对I/O的要求较低，同时对带宽和延迟的要求也不高，可以看出这种类型的应用可以较好地运行在MPP结构类型的系统上，尤其是用类似p655或p690这样多CPU服务器作为节点的Cluster1600系统。
高性能计算在生命科学中的应用
目录 1.1 高性能计算的发展现状 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 高性能计算在生命科学中的应用 (13) 1.2.1 基因测序数据处理 (13) 1.2.2 蛋白质结构研究 (34) 1.2.3 计算机辅助药物设计 (50)
1.1高性能计算的发展现状 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国家经济、社会和环境可持续性发展的重要途径，基础科学研究的投入也将持续增长。
浅谈网格计算相关技术与应用(一) 论文关键词]数据库浮点运算虚拟化资源共享论文摘要]论述网格计算的发展概况，在科学领域的应用范围，网格服务的特点以及在未来网络下场中的发展潜力。 一、网格计算的由来与发展 网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，是将地理上分布的计算资源（包括数据库、贵重仪器等各种资源）充分运用起来，协同解决复杂的大规模问题，特别是解决仅靠本地资源无法解决的复杂问题，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算机是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强，另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。简单地讲，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。 近几年，随着计算机计算能力的迅速增长，互联网络的普及和高速网络成本的大幅降低以及传统计算方式和计算机的使用方式的改变，网格计算已经逐渐成为超级计算发展的一个重要趋势。网格计算是一个崭新而重要的研究领域，它以大粒度资源共享、高性能计算和创新性应用为主要特征，必将成为21世纪经济发展的重要推动力。 二十世纪九十年代以来，世界各个国家，尤其是发达国家，建立了很多超级计算应用中心和工程研究中心，美国还制定了新一轮规划的先进计算框架（ACIP），发展面向21世纪的先进计算技术。我国在科技部的领导和主持下，经过专家组及相关单位的努力，作为我国高性能计算和信息服务战略性基础设施的国家高性能计算环境发展很快。在已经建成的５个国家级高性能计算中心的基础上，又于中南、西北等地建立了新的国家高性能计算中心，科技部加强了网络节点的建设，形成了以科学院为主体的计算网格。教育部也启动了网格计算工程，第一批１２个网点正在建设之中，国家基金委也列出专项基金资助网格计算。 网格是借鉴电力网的概念出来的，网格的最终目的是希望用户在使用网格的计算能力时，就如同现在使用电力一样方便简单。 二、网格计算的应用 （一）分布式超级计算 网格计算可以把分布式的超级计算机集中起来，协同解决复杂大规模的问题。是大量的闲置计算机资源得到有效的组织，提高了资源的利用效率，节省了大量的重复投资，使用户的需求能够得到及时满足。 （二）高吞吐率计算机 网络技术能够十分有效地提高计算的吞吐率，它利用CPU周期窃取技术，将大量闲置计算机的计算资源集中起来，提供给对时间不太敏感的问题，作为计算资源的重要来源。 （三）数据密集型计算 数据密集型计算的问题求解通常同时产生很大的通讯和计算需求，需要网格能力才可以解决。网格已经在药物分子设计、计算力学、计算材料、电子学、生物学、核物理反映、航空航天等众多领域得到广泛应用。 （四）给予更广泛信息共享的人与人交互 网格的出现更急突破了人与人之间地理界线的限制，使得科技工作者之间的交流更加的方便，从某种程度上说，可以实现人与人之间的智慧共享。 （五）更广泛的资源贸易 随着大型机性能的提高和微机的更加普及，其资源的闲置问题越来越突出，网络技术可以有效地组织这些闲置资源，使得有大量的计算需求用户能够获得这些资源，而资源提供者的应
“高性能计算”重点专项2016年度 项目申报指南 依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，科技部会同有关部门组织开展了《高性能计算重点专项实施方案》编制工作，在此基础上启动“高性能计算”重点专项2016年度项目，并发布本指南。 本专项总体目标是：在E级计算机的体系结构，新型处理器结构、高速互连网络、整机基础架构、软件环境、面向应用的协同设计、大规模系统管控与容错等核心技术方面取得突破，依托自主可控技术，研制适应应用需求的E级（百亿亿次左右）高性能计算机系统，使我国高性能计算机的性能在“十三五”末期保持世界领先水平。研发一批重大关键领域/行业的高性能计算应用软件，建立适应不同行业的2—3个高性能计算应用软件中心，构建可持续发展的高性能计算应用生态环境。配合E级计算机和应用软件研发，探索新型高性能计算服务的可持续发展机制，创新组织管理与运营模式，建立具有世界一流资源能力和服务水平的国家高性能计算环境，在我国科学研究和经济与社会发展中发挥重要作用，并通过国家高性能计算环境所取得的经验，促进我国计算服务业的产生和成长。 本专项围绕E级高性能计算机系统研制、高性能计算应用软 —1—
件研发、高性能计算环境研发等三个创新链（技术方向）部署20个重点研究任务，专项实施周期为5年，即2016年—2020年。 按照分步实施、重点突出原则，2016年启动项目的主要研究内容包括：E级计算机总体技术及评测技术与系统，高性能应用软件研发与推广应用机制，重大行业高性能数值装臵和应用软件，E级高性能应用软件编程框架及应用示范，国家高性能计算环境服务化机制与支撑体系，基于国家高性能计算环境的服务系统等重大共性关键技术与应用示范研究，以及新型高性能互连网络、适应于百亿亿次级计算的可计算物理建模与新型计算方法等基础前沿研究。2016年在三个技术方向启动10个任务。 针对任务中的研究内容，以项目为单位进行申报。项目设1名项目负责人，项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题设1名课题负责人，每个课题承担单位原则上不超过5个。 1.E级高性能计算机系统研制 1.1 总体技术及评测技术与系统研究（重大共性关键技术类） 研究内容：研究提出我国高性能计算机系统发展技术路线图和总体技术方案。研究我国高性能计算技术标准体系和核心标准，推动高性能计算机、高性能计算应用和高性能计算环境的协调均衡发展。研究E级高性能计算机评测方法与技术，发展体现应用特点的基准测试程序集，对E级高性能计算机系统进行全面评测，以评测促进研究工作。 —2—
计算机技术的发展趋势 及实际应用 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
计算机技术的发展趋势及实际应用 导言：二十世纪80年代后，计算机技术的发展日新月异，传统计算机技术将持续发展，新的计算机技术、新领域的计算机技术应用，使计算机技术成为当今与人类息息相关的一门重要科学技术。本文对计算机技术发展和应用的相关方面进行了介绍，包括计算机技术的发展和现状、新型计算机系统和计算机技术、计算机智能化发展等，以及计算机技术的实际应用，如在科学技术前沿阵地的电厂中的应用以及电厂的计算机自动化控制发展趋势。 2016年3月，互联网上，各大门户网站的首页，都大篇幅报道“阿尔法人机大战”，最终人工智能以4：1战胜围棋大师李世石，这是google以研发的人工智能挑战人类智能的方式，宣告其计算机技术人工智能化的重大突破和应用。这篇报道，说明计算机技术的发展，已经走进人工智能发展的时代。 从世界上第一台电子计算机ENIAC问世至今已经将近70年，它的问世对人们的生活有着革命性的影响。20世纪后期，计算机技术开始逐步应用到社会的各个角落，计算机的性能也获得了提升。不管是家庭、还是企业、机关，计算机都广泛地发挥着作用，成为人们工作生活中不可获取的一部分。现今的计算机在运算性能、应用领域和生产成本等各方面取得了空前的发展，其未来的发展趋势在很大程度上决定了很多行业的发展速度，也将会是影响整个社会进步的一个重要因素。 计算机的发展趋势将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。 1.未来计算机技术的发展趋势 1.1多极化趋势 如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。 1.2 网络化趋势 网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。
[摘要]文章论述了网格计算的发展概况、在科学领域的应用范围、网格服务的特点以及在未来网络市场中的发展潜力。[关键词]数据库；浮点运算；虚拟化；资源共享现代社会由于大规模的科学和工程计算的需求，迫使计算机必须不断地提高其运算速度和存储容量。计算机的发展历史表明，为了达到更好的处理性能，除了必须提高系统的硬件的速度外，系统的结构也必须不断改进，特别是当元器件的速度达到极限时，后者将变成焦点问题。于是，超级并行机已经成为复杂科学计算领域的主宰。但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足，而且目前正在经受挑战。超级计算机虽然是一台处理能力强大的“巨无霸”，但它的造价极其昂贵，通常只有一些国家级的部门，如航天、军事、气象等部门才有能力配置这样的设备。而随着人们在日常工作遇到的商业计算越来越复杂，人们迫切需要数据处理能力更强大的计算机，而超级计算机的价格显然阻止了它进入普通人的工作领域。于是，人们开始寻找一种造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，最终科学家们经过努力找到了答案——Grid Computing（网格计算）。网格（grid）是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。网格也是一种先进的计算基础设施（Advanced Computational Infrastructure，简称ACI），用于研究与工程应用相结合的项目，学科领域涉及超级计算技术、网络技术、数据库技术、中间件技术、并行算法和各种计算科学研究与应用技术，是一个综合性的跨学科高技术研究课题。网格计算（Grid Computing）是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，是将地理上分布的计算资源（包括数据库、贵重仪器等各种资源）充分利用起来，协同解决复杂的大规模问题,特别是解决仅靠本地资源无法解决的复杂问题，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强；另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。简单地讲，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。近年来，随着计算机计算能力的迅速增长，互联网络的普及和高速网络成本的大幅度降低以及传统计算方式和计算机的使用方式的改变，网格计算已经逐渐成为超级计算发展的一个重要趋势。网格计算是一个崭新而重要的研究领域，它以大粒度资源共享，高性能计算和创新性应用为主要特征，必将成为21世纪经济发展的重要推动力。二十世纪九十年代以来，世界各个国家，尤其是发达国家，建立了很多超级计算应用中心（NCSA）和工程研究中心，美国还制定了新一轮规划的先进计算框架计划(ACIP),发展面向21世纪的先进计算技术. 我国在科技部的领导和主持下，经过306主题专家组及相关单位的努力，作为我国高性能计算和信息服务的战略性基础设施的国家高性能计算环境发展很快。在已建成的5个国家级高性能计算中心基础上，又于中南、西北等地建立了新的国家高性能计算中心，科技部并加强了网格节点的建设，形成以科学院为主体的计算网格。教育部也启动了网格计算工程，第一批12个网点正在建设中，国家基金委也列出专向基金资助网格计算。[!--empirenews.page--]网格是借鉴电力网（electric power grid）的概念出来的，网格的最终目的是希望用户在使用网格的计算能力时，就如同现在使用电力一样方便简单。在科学计算领域，网格计算可以在以下几个方面得到广泛应用：1.分布式超级计算。网格计算可以把分布式的超级计算机集中起来，协同解决复杂的大规模的问题。使大量闲置的计算机资源得到有效的组织，提高了资源的利用效率，节省了大量的重复投资，使用户的需求能够得到及时满足。2.高吞吐率计算。网格技术能够十分有效地提高计算的吞吐率，它利用CPU的周期窃取技术，将大量空闲的计算机的计算资源集中起来，提供给对时间不太敏感的问题，作为计算资源的重要来源。3.数据密集型计算。数据密集型的问题的求解往往同时产生很大的通讯和计算需求，需要网格能力才可以解决。网格可以药物分子设计、计算力学、计算材料、电子学、生物学、核物理反应、航空航天等众多的领域得到
计算机技术的发展趋势及实际应用 导言：二十世纪80年代后，计算机技术的发展日新月异，传统计算机技术将持续发展，新的计算机技术、新领域的计算机技术应用，使计算机技术成为当今与人类息息相关的一门重要科学技术。本文对计算机技术发展和应用的相关方面进行了介绍，包括计算机技术的发展和现状、新型计算机系统和计算机技术、计算机智能化发展等，以及计算机技术的实际应用，如在科学技术前沿阵地的电厂中的应用以及电厂的计算机自动化控制发展趋势。 2016年3月，互联网上，各大门户网站的首页，都大篇幅报道“阿尔法人机大战”，最终人工智能以4：1战胜围棋大师李世石，这是google以研发的人工智能挑战人类智能的方式，宣告其计算机技术人工智能化的重大突破和应用。这篇报道，说明计算机技术的发展，已经走进人工智能发展的时代。 从世界上第一台电子计算机ENIAC问世至今已经将近70年，它的问世对人们的生活有着革命性的影响。20世纪后期，计算机技术开始逐步应用到社会的各个角落，计算机的性能也获得了提升。不管是家庭、还是企业、机关，计算机都广泛地发挥着作用，成为人们工作生活中不可获取的一部分。现今的计算机在运算性能、应用领域和生产成本等各方面取得了空前的发展，其未来的发展趋势在很大程度上决定了很多行业的发展速度，也将会是影响整个社会进步的一个重要因素。 计算机的发展趋势将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。 1.未来计算机技术的发展趋势 1.1多极化趋势 如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。 1.2 网络化趋势 网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。 随着信息技术快速发展，计算机也越来越普及，各种家用电器也开始走向智能化，未来
浅析网格计算技术的应用与发展 郑琦1卢德利2 （1：吉林建筑工程学院，长春130021；2：吉林医药设计院有限公司，长春130021） 摘要：网格计算是伴随着互联网而迅速发展起来的、专门针对复杂科学计算的新型计算模式。我们可以将服务器、存储系统和网络联合在一起，数据文件、应用程序和系统看起来就像是一个巨大的虚拟计算系统，为用户提供功能强大的多系统资源来处理特定的任务。本文简述了网格计算的概念、关键组件，介绍了网格计算在若干领域的应用，概述了网格计算现状和发展前景。 关键字：网格计算；分布式系统；资源共享 中图分类号：文献标识符：文章编号: Analyze Briefly The Application and Development of Grid Computing ZhengQi1 Lu De-li2 （1:JiLin Institute of Architecture and Civil Engineering ,Changchun 130021; 2:JiLin Pharmaceutical Design Institute Co.Ltd,Changchun 130021） Abstract：Grid computing is a new computation pattern that aims at the complex science computation specifically, accompanied by the rapid development of the Internet. We can be able to servers, memory systems and networks together. It can provide users with a powerful multi-system resources to handle specific tasks, like a huge virtual computing systems. This paper has summarized the concept and the key components of grid computing.Introduced a number of grid computing in the field of application. Grid computing provides an overview of the current situation and development prospects. Key Words: Grid Computing; Distributional System; Resource Sharing 0 引言 随着超级计算机的不断发展，它已经成为复杂科学计算领域的主宰。但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足，而且目前正在经受挑战。超级计算机虽然具有非常强大处理能力，但它造价极高，通常只有一些国家级的如航天、国防等部门才有能力配置这样的设备。而随着人们日常工作遇到的商业计算、科学计算越来越复杂，人们越来越需要数据处理能力更强大的计算机，而超级计算机的价格使得它进入普通人的工作领域成为一种奢望。于是人们在寻找造价低廉而数据处理作者简介：郑琦（1978～），女，吉林省长春市人，助教，硕士
高性能计算技术及其应用 作者：迟学斌赵毅 (中国科学院计算机网络信息中心北京 100080) 摘要简要介绍了当前高性能计算机、并行算法、并行编程环境和高性能 计算应用的国际研究现状和发展趋势，阐述了近几年中科院高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展情况，最后对我院发展高性能计算技术及应用 给出了几点思考。 关键词高性能计算技术，并行算法，并行编程环境 高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。随着信息化社会的飞速发展，高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。在一些新兴的学科，如新材料技术和生物技术领域，高性能计算机已成为科学研究的必备工具。同时，高性能计算也越来越多地渗透到石油工业等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。 1 国际研究现状和发展趋势 1.1 高性能计算机 电子计算机在诞生之初主要就是为科学计算服务的。到20世纪60年代，随着技术的成熟，计算机开始走向商业领域，且应用范围越来越广。为有别于“通用计算机”，专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为 “高性能计算机”(HPC)。 1.1.1 高性能计算机发展历史 20世纪70年代出现的向量计算机可看作是第一代HPC，通过在计算机中加入向量流水部件，大大提高了科学计算中向量运算的速度。其中较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列和中国的银河一号及中科院计算所的757计算机。80年代初期，随着VLSI技术和微处理器技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破，“性/价比”而非单一性能成为衡量HPC系统的重要指标。90年代初期，大规模并行处理(MPP)系统已开始成为HPC发展的主流，MPP系统由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。代表性系统有TMC的CM-5、Intel Paragon、中科院计算所的曙光1000等。较MPP早几年问世的对称多处理(SMP)系统由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成，早期的SMP和MPP 相比扩展能力有限，不具有很强的计算能力，但单机系统兼容性好，所以90