超级计算机(chao ji ji suan ji):能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异,但规格与性能则强大许多,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。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太(Trillion,万亿)次以上。

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超级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,多用于国家高科技领域和尖端技术研究,是一个国家科研实力的体现,它对国家安全,经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

超级计算机发展历史

“超级计算(Supercomputing)”这一名词在1929年《纽约世界报》关于“IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机(tabulator)的报道”中首次出现。是一种由数百、数千甚至更多的处理器(机)组成的,能计算普通PC机和服务器不能完成的大型、复杂课题的计算机。

把普通计算机的运算速度比做成人的走路速度,那么超级计算机就达到了火箭的速度。在这样的运算速度前提下,人们可以通过数值模拟来预测和解释以前无法实验的自然现象。

自1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机以来,突出表现一国科技实力的超级计算机,堪称集万千宠爱于一身的高科技宠儿,在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核业、军事、航天等高科技领域大展身手,让各国科技精英竞折腰,各国都在着手研发亿亿级超级计算机。

对巨型计算机的指标一些厂家这样规定: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1000万位以上。如美国的ILLIAC-Ⅳ,日本的NEC,欧洲的尤金,中国的"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,研制运算速度达几百万亿次的超级大型计算机。

某些分布式运算把丛集超级运算推至极限。例如SETI@home计划现在平均有667.716 TeraFLOPS运算能力。2009年4月,Folding@home声称拥有超过8PFLOPS运算能力。GIMPS运算能力也高达18TFLOPS。Google的搜寻引擎系统Google server farm总处理能力界乎于126及316TFLOPS之间。Tristan Louis估计这个系统等于32000至79000台双2 GHzXeon电脑。 由于散热问题,Google的搜寻引擎系统应该属于网格运算。

新一代的超级计算机采用涡轮式设计,每个刀片就是一个服务器,能实现协同工作,并可根据应用需要随时增减。单个机柜的运算能力可达460.8千亿次/秒,理论上协作式高性能超级计算机的浮点运算速度为100万亿次/秒,实际高性能运算速度测试的效率高达84.35%,是名列世界最高效率的超级计算机之一。通过先进的架构和设计,它实现了存储和运算的分开,确保用户数据、资料在软件系统更新或CPU升级时不受任何影响,保障了存储信息的安全,真正实现了保持长时、高效、可靠的运算并易于升级和维护的优势。

超级计算机排名争夺

2011年6月21日国际TOP500组织宣布,日本超级计算机“京”(K computer)以每秒8162万亿次运算速度成为全球最快的超级计算机。由日本政府出资、富士通制造的巨型计算机“K Computer”落户日本理化研究所,并成功从中国手中夺回运算速度排行榜第一的宝座。以每秒8162万亿次运算速度成为全球最快的超级计算机。 “K Computer”当前运算速度为每秒8千万亿次,而到2012年完全建成时,其运算速度将达到每秒一万万亿次。“K Computer”比现居第二的中国超级计算机速度快出约3倍,甚至比排名第2至第6的计算机运算速度总和还要快。

2012年6月18日,国际超级电脑组织18日公布最新的全球超级电脑500强名单,世界上运算速度最快的超级计算机是由IBM为美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研发的Sequoia,它每秒能完成1.6亿亿次运算,美国超级电脑重夺世界第一宝座,而中国超级电脑排名第五。美国的超级电脑技术在2011年中突飞猛进,由美国国际商业机器公司(IBM)最新研制的超级计算机“红杉”(Sequoia),为美国夺得全球最快超级计算机宝座。这是继2009年后美国再次夺回“世界第一电脑”的头衔。“红杉”的持续运算测试达到每秒16.324petaflops,即每秒16324万亿次运算,其峰值运算速度高达每秒20132万亿次,令其他计算机望尘莫及。IBM研制开发的另一台超级电脑“米拉”以每秒8162万亿次的运算速度名列第三,安装在美国能源部所属的阿贡国家实验室。日本理化学研究所与富士通(Fujitsu)共同研发和组装中的超级电脑“京”在名单中位居亚军,其测试速度上升到每秒运算速度10510万亿次,峰值运算速度11280万亿次。排名前十的超级计算机系统实测运算速度都超过每秒千万亿次,其中美国的超级计算机有3个,中国和德国2个,日本、法国和意大利各1个。中国国家超级计算天津中心的“天河一号”超级电脑在最新排名中名列第五;另外超级计算深圳中心的“星云”超级电脑排名第十。

2012年10月,隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室将美洲虎改装为“泰坦”(Titan),重新成为世界上最快的超级计算机。

2013年6月17日,在德国莱比锡开幕的2013年国际超级计算机大会上,TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单,中国国防科技大学研制的天河二号超级计算机,以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度夺得头筹,中国“天河二号”成为全球最快超级计算机。

2014年6月23日,在德国莱比锡市发布的第43届世界超级计算机500强排行榜上,中国超级计算机系统“天河二号”再次位居榜首,获得世界超算“三连冠”,其运算速度比位列第二名的美国“泰坦”快近一倍。

2010年,由国防科技大学研制的天河一号在超算排行榜上首次夺冠,2013年,天河二号又两度位列榜首,现在,天河二号第3次被评为全球最快的计算机,获得世界超算三连冠,也成为天河系列超级计算机第4次居世界超算之巅。

超级计算机应用概述

作为高科技发展的要素,超级计算机早已成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。经过中国科技工作者几十年不懈地努力,中国的高性能计算机研制水平显著提高,成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。中国现阶段超级计算机拥有量为22台(中国内地19台,香港1台,台湾2台),居世界第2位,就拥有量和运算速度在世界上处于领先地位,随着超级计算机运算速度的迅猛发展,它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。但就超级计算机的应用领域来说中国和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。中国超级计算机及其应用的发展为中国走科技强国之路提供了坚实的基础和保证。

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,原子核物理的探索,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。

超级计算机被称为“经济转型和科学研究加速器”,超级计算机的广泛应用能够带动国家整体科技创新能力的增强。但是中国超级计算机普遍面临硬件性能强大应用领域匮乏的问题,科研机构、高校和企业用户存在超级计算机应用成本过高、软件开发滞后、设备利用率低等问题。面对中国超级计算机的应用不足问题,一些国内服务器主导厂商的努力转变,在2009年浪潮发布“倚天”桌面超级计算机,借助CPU-GPU协同计算加速架构,单机计算能力最高可达每秒4万亿次,真正实现了将超级计算机从庞大的机房和计算中心转移到了用户的桌面。

浪潮还与ISC联合举办“首届中国大学生超级计算机竞赛暨ISC12国际大学生超级计算机竞赛中国区选拔赛”,比赛将使用一项基准性能测试(Linpack测试)和四项应用测试(CPMD、CP2K、Openfoam、Nemo)重点考察参赛队组建的超级计算机的综合性能,具有明显的应用导向,是对参赛队伍超级计算机应用能力的全面考察。大赛主办方浪潮集团也强调,比赛将会成为一个权威、专业、公平的超算应用领域的竞赛和交流平台,推动中国超算的应用研究和人才培养。

单纯的追求超算TOP排行榜位置的“冷战”已成过去,让应用引领计算的时代已然来临。Linpack标准的创始人Jack Dongarra对外表示:这套完全以纵向数值比拼的标准已经过时,而全新的HPCG PDF Link测试平台将会关联主流应用程序中的计算和数据访问模式。应该说Dongarra的观点代表了超算应用的前沿,一场全世界范围内用于横向应用的超级变革早已展开,而在中国更有曙光公司等超算领导者在云计算、大数据领域勇于实践,将创新技术与应用完美结合。应用程序对更复杂计算的需求已变得原来越普遍,这些计算要求有高带宽和低延时的环境,并且需要通过不规则模式访问数据,超级计算机的衡量基准需要经常更新,以保证其能够正确反映出计算机使用方式的变化。