超級計算機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.什么是超級計算機？ 2.回顧一下超級計算機的發(fā)展歷史嗎？ 3.超級計算機應(yīng)用程序？ 4.下一代超級計算機序列？信息技術(shù)最前沿的超級計算機一直是一國重要的戰(zhàn)略資源，對國家安全，經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要意義. 過去兩年來，超級計算（SUPERCOMPUTING）和高性能計算（HPC）一直是熱門話題，這不僅是因為國內(nèi)市場上的Dawning，Lenovo和Inspur等公司增加了投資和市場推廣，以便用戶有更多機會了解這些難以理解的龐然大物；從全球發(fā)展趨勢，高性能來看，計算機系統(tǒng)（或超級計算系統(tǒng)）的競爭非常激烈，從萬億次級到十萬億次高性能計算機發(fā)展歷程，甚至到萬億次級，計算性能的高峰越來越快. 除了氣象分析，石油勘探，核實驗?zāi)�擬，蛋白質(zhì)折疊和其他超級計算應(yīng)用程序外，我們還看到與我們的生活緊密相關(guān)的高性能計算應(yīng)用程序，包括汽車制造設(shè)計，電影模擬，藥物研究和國家網(wǎng)格施工. 毫不夸張地說，我們每個人都在享受高性能計算的直接或間接服務(wù)...首先，什么是超級計算機？根據(jù)美國能源部勞倫斯·伯克利超級計算機國家實驗室（HPC）的定義: HPC是由8個或更多計算機節(jié)點組成的集群，它們可以作為一臺高性能計算機工作.

？用外行的話來說，超級計算機是可以執(zhí)行超速操作的計算機. 2.超級計算機的發(fā)展歷史: “超級計算機之父”-西蒙·克雷（Simon Cray）？從真正的意義上講，開發(fā)符合超級計算機定義的產(chǎn)品的人應(yīng)該是S. Cray博士. 人們后來被西方人稱為“巨型機器之父”. 1963年，他開發(fā)了世界上第一臺巨型機器CDC6600，該機器總共安裝了35萬個晶體管，運行速度為1MFLOPS. 在這之后，巨型機器走了五代，即單片機系統(tǒng)，向量處理系統(tǒng)，并行處理（MPP）系統(tǒng)，共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)和集群系統(tǒng)（CLUSTER）. 超級計算機的日益普及也吸引了軟件巨頭微軟. 最近，微軟件表示，他也將參與HPC領(lǐng)域，我們獨立設(shè)立了“高性能計算”部門，并計劃為HPC開發(fā)新版本的“ Windows Server HPC Edition”操作系統(tǒng). . 第五代超級計算機，第一代，第二代，第三代，第四代結(jié)構(gòu)單片機系統(tǒng)矢量處理系統(tǒng)海量并行處理（MPP）系統(tǒng)共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)第五代集群系統(tǒng)（CLUSTER）典型代表CDC7600， IBM360Cray XMP，Cray YNP，NEC SX2和中國的Galaxy One，第二銀行IBM SP2，Intel Paragon和中國的Dawn 2000、3000和其他SUN E10000 / 15000，SGI Origin 2000/3000以及中國的Galaxy 3，神威1和其他外國“雷”. “閃電”，“紅色風(fēng)暴”和國產(chǎn)曙光4000系列，聯(lián)想1800/6800，浪潮天梭TS10000，超級巨星10000等. 諾伊曼系統(tǒng)超級計算機架構(gòu)圖PM單處理器架構(gòu)PPPPM共享內(nèi)存多處理器架構(gòu)PPPPPPMPPP矢量處理器架構(gòu)系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)PPPPMMMM分布式內(nèi)存處理器架構(gòu)關(guān)于集群架構(gòu)？根據(jù)TOP500官方網(wǎng)站的統(tǒng)計，在排名靠前的系統(tǒng)中，有320臺使用INTEL處理器，54臺使用IBM POWER處理器，48臺使用HP PARISC，其中31臺使用AMD處理器. 在TOP500中，使用集群系統(tǒng)的系統(tǒng)有296套. 占49.8％. 在排名前10位的系統(tǒng)中，集群系統(tǒng)占7個. 集群系統(tǒng)使用普通的Commercial芯片和互連技術(shù). 關(guān)于集群架構(gòu)？集群體系結(jié)構(gòu)誕生于并行處理（MPP）的早期. 之所以喜歡它，是因為它的經(jīng)濟性和開放性與MPP Everywhere不同，它是平均水平. 使用廉價的普通服務(wù)器作為計算節(jié)點，小型系統(tǒng)通常與以太網(wǎng)互連，以及免費的公共操作系統(tǒng)LIUNX和并行編程接口MPI. 超級計算機的成本告別了天文數(shù)字，應(yīng)用程序占用空間也可能達(dá)到數(shù)十萬. 但是，由于群集系統(tǒng)中使用大量的IA服務(wù)器，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，其能耗和散熱問題嚴(yán)重，并且可管理性，可用性和可持續(xù)計算能力大大降低. 在當(dāng)前的技術(shù)水平上，很難實融和保險21電信16能源7工業(yè)7生物信息3229％10240.18 15020.76 491221％2383.98 3671.3 116816 2097.89 3671.3 10127 2250.54 5810.48 12327759.52 1139.4 400321115152..53 1276254..868 35506三. 超級計算機應(yīng)用程序？當(dāng)前，對超級計算機的需求主要在生物信息學(xué)中迅速增長. 能源（石油，核技術(shù)），空氣動力學(xué)和戰(zhàn)略武器研發(fā)等傳統(tǒng)行業(yè)仍然有很強的需求. 1.超級計算機在航天器設(shè)計中的應(yīng)用（1）科學(xué)計算: 完成當(dāng)前風(fēng)洞試驗無法解決的問題. 如果風(fēng)洞試驗的馬赫數(shù)低于實際飛行次數(shù)，則必須用數(shù)值??方法加以補充，并且計算機還必須完成數(shù)十萬次彈道計算. （2）建設(shè): 用于改進(jìn)設(shè)計的定量分析和新飛機的定量分析，大大減少了飛機的設(shè)計周期，減少了風(fēng)洞試驗次數(shù). （3）計算機輔助設(shè)計: 例如波音757飛機，幾乎所有的空氣動力學(xué)設(shè)計都使用計算機. （4）計算機模擬: 利用計算機模擬實際飛行和對抗. 根據(jù)權(quán)威人士的資料，要使用計算機代替風(fēng)洞進(jìn)行數(shù)值模擬，您需要具有1000MB的內(nèi)存容量，即1010?1011次/秒的計算機. 3.超級計算機的應(yīng)用？ 2.在地震勘探中的應(yīng)用？ （1）地震勘探: 地球物理勘探是對地下的一種間接測量，目的是弄清地質(zhì)構(gòu)造，尋找碳?xì)浠�合�? 在地震勘探中高性能計算機發(fā)展歷程，受控方法用于生成彈性波場（可以近似為聲波），該彈性波場被引入地面. 由于地下介質(zhì)的不均勻性，它被散射到地面探測器陣列并記錄在磁帶上. 地面探測器陣列一般有48?1024個探測器，每個探測器每1?2毫秒記錄一個采樣點，每個采樣點為16位，記錄時間為3?15秒. 因此，每個記錄長度可達(dá)240,000?7,200萬字節(jié). （2）地震數(shù)據(jù)處理: 這是一個非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程. 一般的地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括200?300個應(yīng)用程序，每個應(yīng)用程序包含數(shù)千行，對于FORTRAN源語句的數(shù)萬行，計算量非常大. 三. 超級計算機應(yīng)用程序？ （3）向量處理: 在地球物理學(xué)中，許多算法可以向量化. （4）并行處理: （5）輸入/輸出: 用于地震數(shù)據(jù)的收集，處理和存儲. 在以下方面，只有超級計算機才有能力: ●交互式地震處理？ ●3D地震處理？ ●疊前3D遷移？ ●彈性波模型3.超級計算機應(yīng)用程序？ 3.在油藏數(shù)值模擬中的應(yīng)用？儲層數(shù)值模擬是基于達(dá)西定律和物質(zhì)守恒原理，將復(fù)雜的物理現(xiàn)象抽象為數(shù)學(xué)問題，然后找到數(shù)學(xué)問題的解決方案，以便定量研究不同巖石的油氣，水運動規(guī)律. 以及不同開采方法下不同的油和氣流.

？油藏數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)問題是偏微分方程系統(tǒng). 大部分偏微分方程組是通過有限差分法離散化的，然后求解非線性代數(shù)方程組，這需要較大的存儲容量和較快的運算速度. 電腦. 在儲層數(shù)值模擬軟件中，使用了大量的線性和非線性插值技術(shù). 對程序進(jìn)行矢量化處理后，可以大大提高處理效率. 3.超級計算機的應(yīng)用？在油藏數(shù)值模擬軟件中，另一個問題是求解大型稀疏線性方程，約占整個運行時間的60％至80％. 在程序的這部分被矢量化之后，軟件的處理效率也大大提高了. 第三. 超級計算機的應(yīng)用？ 4.在中國石油勘探中的應(yīng)用？中國大慶油田每年可生產(chǎn)約5000萬噸原油，是世界領(lǐng)先的油氣生產(chǎn)商之一. 2002年，大慶在油氣勘探領(lǐng)域投資了1.8億美元. 該公司采用了129個基于Intel Xeon（XEON）處理器的單元，雙通道Lenovo系統(tǒng)配備了Paradig的高級軟件. 與專有的超級計算機解決方案相比，大慶希望節(jié)省70％的成本. 2002年，它在中國黑龍江省被發(fā)現(xiàn). 它擁有300億立方米的天然氣儲量. 3.超級計算機的應(yīng)用？ 5.在天氣預(yù)報中的應(yīng)用？當(dāng)代衡量一個國家氣象業(yè)務(wù)發(fā)展水平的方法，主要是從設(shè)備上看兩個項目: 巨型計算機和氣象衛(wèi)星. 第二次世界大戰(zhàn)期間開發(fā)了現(xiàn)代天氣預(yù)報. 它最初是天氣圖的主觀預(yù)報. 自1950年代以來，出現(xiàn)了通過計算機進(jìn)行數(shù)字天氣預(yù)報的情況. 現(xiàn)在，它被認(rèn)為是最佳的天氣預(yù)報方法. 早期的計算機只能進(jìn)行短期（3天）預(yù)測. 目前，超級計算機可用于中期（3天至2周）天氣預(yù)報. （1）中期天氣預(yù)報的數(shù)學(xué)模型: 根據(jù)大氣的初始狀態(tài)，即對于三維速度u，v，w，大氣溫度T，水蒸氣q和大氣密度Φ，求解如下微分方程系統(tǒng): ？ ？ ？ U + u + v + w-fv =？ ？t？x？y？p？Φ+ Fx？x？ ？u？u？u？u－u－v + w + fu =？ ？t？x？y？p？Φ+ Fy？y？ ？u？u ++ = 0？ ？x？y？p？Φ= －α？p？ dT ART d － = Q？ dt p dt？dq = S？dt 3.超級計算機的應(yīng)用？由于此微分方程組沒有解析解，因此只能使用差分方程來找到數(shù)值解. 顯然，差異所使用的分辨率決定了方程的精度. 差異的分辨率提高了一倍，計算工作量增加到16倍. 水平和垂直模式的分辨率時間積分預(yù)測求解課程組天數(shù)的差異平方多步范圍范圍（萬次）300km 110 mbar 30分鐘半球5 88 51T43L9200km 62 mbar 18點全局10 23593 26T63L16T106L19 120km 53 mbar 12分鐘半球10 116736 132 IV. 下一代超級計算機？下一代超級計算機應(yīng)該在: 可擴展性，性能密度，性能能耗比，經(jīng)濟效率，總體平衡，連續(xù)計算能力等方面產(chǎn)生質(zhì)的飛躍. ？性能密度是指每單位空間體積可以達(dá)到的計算速度.

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