【正文】 向美國的各個高性能計算機廠商預(yù)定和購買峰值速度超過 100Tflops的高性能并行計算機。 高性能計算在各領(lǐng)域的重要作用目前，高性能計算已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的重要作用：a) 基礎(chǔ)學(xué)科中深入的知識發(fā)現(xiàn)，問題規(guī)模的擴大和求解精度的增加需要更高性能的計算資源。例如，計算立體力學(xué)、計算材料學(xué)、計算電磁學(xué)。b) 多學(xué)科綜合設(shè)計領(lǐng)域中大量多部門協(xié)同計算需要構(gòu)建高性能的綜合平臺。例如，汽車設(shè)計、船舶設(shè)計。c) 基于仿真的工程科學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)工程領(lǐng)域的知識技術(shù)與高性能計算，提供經(jīng)濟高效地設(shè)計與實踐方法。例如，基于仿真的醫(yī)學(xué)實踐、數(shù)字城市模擬、核電、油田仿真工具、新材料開發(fā)、碰撞仿真技術(shù)、數(shù)字風(fēng)洞。d) 高性能計算提升眾多行業(yè)服務(wù)、決策的時效性，提高經(jīng)濟效益。例如，實時天氣預(yù)報、城市交通控制、視頻點播服務(wù)、動漫設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)游戲、基于RFID的貨物跟蹤、智能電子商務(wù)。e) 數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用需要高性能數(shù)據(jù)處理，以應(yīng)對數(shù)據(jù)爆炸式增長帶來的難題。例如，高能物理實驗數(shù)據(jù)處理、遙感數(shù)據(jù)處理、商業(yè)智能、生物信息學(xué)、RFID數(shù)據(jù)挖掘、金融業(yè)分析抵押借貸、移動電話流量分析。 各國政府對高性能計算的重視高性能計算發(fā)展及應(yīng)用水平正日益成為一個城市乃至一個國家科研實力的重要標(biāo)志之一。在高性能計算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位就等于占領(lǐng)了未來發(fā)展的制高點。世界經(jīng)濟強國對高性能計算無不十分重視，尤其是美國、日本和歐洲各國，為了增強其在國際上的綜合競爭力，紛紛制定長期發(fā)展計劃，政府投資建設(shè)與民間外包運營并舉，競相投入巨大人力、物力和財力爭奪這一戰(zhàn)略高地。美國政府有關(guān)部門長期以來非常注重對高性能計算項目的資助，并且相繼在1991年提出“高性能計算與通信（HPCC）計劃”，在1995年實施 “加速戰(zhàn)略計算創(chuàng)新（ASCI）計劃”，在1998倡議實施“科學(xué)模擬(SSP)計劃”，這些舉措都是為了搶占在高性能計算領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。美國政府和IBM公司合作推動了藍色基因（Blue Gene）方案，研制出了百萬億次的超級計算機。SGI，CRAY，IBM等公司都有千萬億次超級計算機的研發(fā)計劃。日本科學(xué)技術(shù)廳基于防震減災(zāi)的需要，早在1997年就制訂了一項龐大的研究計劃，即利用基礎(chǔ) 科學(xué)研究、人工輔助觀測和高性計算模擬來預(yù)測地球環(huán)境變遷。為此，用了五年多時間，才于2002年3月成功研制出峰值性能達 到40TFlops的超高速并行計算機系統(tǒng)——“地球模擬器”（曾列世界第一，詳見世界超級計算機500強排行榜），滿足了日本政 府對大氣海洋科學(xué)和固體地球領(lǐng)域的應(yīng)用需求。歐洲在高性能計算機的應(yīng)用方面也不甘示弱，如英國國家氣象局，已用性能更高的由30個NEC SX6節(jié)點組成的超級計算機，取代原有的專用Cray T3Es超級計算機。此外，歐洲國家在材料科學(xué)、核能研究和DNA分析等計算領(lǐng)域，一直處于先進行列。據(jù)統(tǒng)計，歐、美、日發(fā)達國家已壟斷了全球高性能計算的研發(fā)和應(yīng)用，分布在其它國家的高性能計算應(yīng)用加起來不足4％。 成立高性能計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的意義高性能計算機是推動科技創(chuàng)新、經(jīng)濟發(fā)展、社會進步、國防安全的“第一生產(chǎn)力”，已成為世界各國競相爭奪的戰(zhàn)略制高點。沒有自己的高性能計算機產(chǎn)業(yè)，我國很多領(lǐng)域的科技創(chuàng)新無法突破，更多行業(yè)的信息化無法得到整合和提升，國防安全和國家長期發(fā)展受制于人。高性能計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，希望能解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的共性問題，搶占技術(shù)制高點，創(chuàng)造新的商機和市場，從技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、市場三個層面打造某市乃至全國高性能計算產(chǎn)業(yè)的大生態(tài)，進一步整合我國高性能計算領(lǐng)域從上下游廠商、科研機構(gòu)到重點應(yīng)用領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢，促進中國民族高性能計算機產(chǎn)業(yè)的和諧可持續(xù)發(fā)展，進一步增強我國高性能計算產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立標(biāo)志著中國高性能計算領(lǐng)域在向標(biāo)準(zhǔn)化、普及化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的方向上邁出了重要的一步，將大力推進某乃至中國高性能計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，為政府決策提供支持：組建和發(fā)展高性能計算產(chǎn)業(yè)專家團隊，協(xié)助政府制定并實施相關(guān)的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。2. 產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的特點、趨勢及我國存在的差距和不足 產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、主要特點1997年，Intel公司發(fā)布了世界首臺萬億次超級計算機ASIC Red，2005年IBM公司發(fā)布的BlueGene/L首次突破百萬億次。2008年，IBM公司的發(fā)布的Roadrunner則突破了千萬億次(PetaFlops)大關(guān)。不久的將來，1億億次(10P)的超級計算機就會出現(xiàn)。圖4給出了最新TOP500公布的高性能計算機的國家分布圖。從中可以看出，不論是從數(shù)量上，還是從性能上，美國都占據(jù)了全球50%以上的份額。其次是英國和德國，%%的份額，%的份額?？梢钥闯觯壳案咝阅苡嬎銠C擁有量方面歐美仍占據(jù)絕大多數(shù)。 b)性能分布a)數(shù)量分布圖4 高性能計算機國家分布圖圖5給出了TOP500當(dāng)前高性能計算機的體系結(jié)構(gòu)分布圖。從中可以看出，向量機已經(jīng)基本退出了高性能計算機排行，而cluster結(jié)構(gòu)則以80%的份額在高性能計算機體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)統(tǒng)治地位。其它的體系結(jié)構(gòu)是MPP和星群結(jié)構(gòu)，%%。從中可以看出，目前，cluster結(jié)構(gòu)仍是高性能計算機中占主導(dǎo)地位的體系結(jié)構(gòu)。 b)性能分布a)數(shù)量分布圖5 高性能計算機體系結(jié)構(gòu)分布并行計算的現(xiàn)今研究狀況: 并行計算的研究面很廣, 主要包括了并行計算的硬件平臺(即并行計算機)、并行計算的軟件支撐(即并行程序設(shè)計)、并行計算的理論基礎(chǔ)(即并行算法)以及并行計算的具體應(yīng)用. 由于長期以來并行計算的研究缺乏良好的研究方法, 導(dǎo)致并行計算的研究出現(xiàn)了參差不齊的局面. 目前的并行計算研究主要存在以下幾個方面的問題: ① 近年并行算法本身的研究呈現(xiàn)低調(diào)的局面。 ②大部分的并行應(yīng)用的效率依然較低, 無法高效的使用并行計算機的資源。 ③ 并行編程語言對于一般的編程人員還不夠簡單易行, 也缺乏高效的并行編程環(huán)境工具。 ④ 并行計算機本身的構(gòu)建也存在著能耗過大、管理困難、可擴展性差等方面的問題. 我國的并行計算研究和國際走向大致相同, 自20世紀(jì)60年代末至今,已經(jīng)歷經(jīng)三個階段: ① 第一階段, 60年代末至70年代末,主要從事大型機中的并行處理技術(shù)研究。 ② 第二階段, 70年代末至80年代初, 主要從事向量機和并行多處理器系統(tǒng)研究。 ③ 第三階段, 80年代末至今, 主要從事MPP(massively parallel processor)系統(tǒng)及工作站集群系統(tǒng)研究. 從十九世紀(jì)七十年代高性能計算機進入市場以來，高性能計算機的發(fā)展日趨繁盛。下面，就近10年來高性能計算機領(lǐng)域的重大項目給出簡單陳列：l HTMT：美國NASA支持的HTMT(Hybrid Technology Multithreaded)是最早的P級計算機計劃，于1995年啟動。HTMT試圖避開摩爾定律，采用超導(dǎo)邏輯、光交換、全息存儲，PIM等全新技術(shù)，其核心處理單元SPELL的頻率可達100GHz，主要設(shè)計挑戰(zhàn)是能夠滿足這樣高速處理器的存儲體系。l HPCS計劃：美國DARPA在2002年啟動了HPCS計劃，將高效能作為研究重點。整個計劃分三個階段，第一階段為概念評估階段，第二階段到2006年為系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)評估階段，Cray Cascade、IBM PERCS、Sun Hero入選，第三階段到2010年為研發(fā)和系統(tǒng)實現(xiàn)階段，預(yù)計實現(xiàn)兩臺千萬億次系統(tǒng)。l Bluegene/P：曾經(jīng)世界排名第一的IBM Bluegene/L的后續(xù)機型，該系統(tǒng)采用的cyclops芯片是一種片內(nèi)多線程處理器，單片內(nèi)集成了75個多線程處理器核，整個系統(tǒng)的核數(shù)接近1千萬個。它是典型的多核芯片+MPP體系結(jié)構(gòu)，超大的并行度對編程模型有很高的要求。IBM Bluegene/Q預(yù)計2012年達到10Pflops。l MDGRAPE3：日本理化學(xué)研究所、SGI和英特爾聯(lián)合建造的分子動力學(xué)（MD）模擬專用計算機系統(tǒng)，在2006年6月已經(jīng)達到了千萬億次的計算能力。采用的是專用ASIC技術(shù)路線，將分子動力學(xué)算法完全固化到芯片中，不能支持其他通用計算程序。l Baker：該機沿用Cray XT3 MPP體系結(jié)構(gòu)，節(jié)點是4個雙核處理器構(gòu)成的SMP，整個系統(tǒng)有24000多個處理器，采用Cray SeaStar互聯(lián)。l RoadRunner：，該機采用由16000個AMD Opteron和16000 IBM Cell BE處理器構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)。 l 日本京速計算機計劃：京速就是10Pflops的意思，日本計劃在2011年左右實現(xiàn)京速計算機系統(tǒng)，該項目采用一種向量、標(biāo)量、專用混合的結(jié)構(gòu)。高性能計算機涉及處理器、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、存儲、操作系統(tǒng)等技術(shù)，是由多種部件整合而成的大型系統(tǒng)。以IBM、Intel為代表的各類機構(gòu)在2007年取得了諸多進展，并共同推動了高性能計算的發(fā)展。 處理器作為高性能計算機的核心部分，處理器領(lǐng)域的競爭最為激烈，Intel、AMD、IBM、Sun等一大批制造商和其他研發(fā)機構(gòu)分別采取不同策略相互競爭。（1）IntelIntel在2006年9月展示了一個峰值運算性能高達1Teraflop的處理器原型。該原型集成了108顆內(nèi)核，每個運算單元均具備浮點運算功能，工作頻率4GHz。2007年1月，Intel宣布取得“高K”介電材料重要突破，利用基于金屬鉿（Hafnium）的氧化物代替二氧化硅作為晶體管的介電材料，減少了微電路漏電的問題，并最終在此基礎(chǔ)上成功地采用45nm制程工藝推出了16款服務(wù)器產(chǎn)品。Intel在07年公布了多核 － 眾核處理器開發(fā)計劃。根據(jù)規(guī)劃，繼2006年的雙核Dempsey/Woodcrest之后，Intel在四年內(nèi)（2007至2010年）會先后推出4核Clovertown、8核Harpertown、16核Gainstown和32核Gulftown。其中32核Gulftown處理器計劃采用32nm制造工藝，包括8個處理節(jié)點（每個節(jié)點4顆內(nèi)核）、128線程。每個節(jié)點擁有3MB末級緩存和512KB二級緩存，構(gòu)成24MB的環(huán)形架構(gòu)末級緩存。雖然每顆內(nèi)核的主頻仍為2GHz左右，但性能卻會提高到現(xiàn)有Woodcrest處理器的15倍。（2）AMD為與Intel抗衡，AMD在2007年發(fā)布了基于65nm制程的4核處理器Barcelona，并計劃在2008年推出基于45nm制程的4核處理器Shanghai。而AMD首款8核處理器Sandtiger在2009年推出，采用45nm制程。Sandtiger處理器將采用DirectConnect 2設(shè)計，每個晶片將擁有4個Hypertransport連結(jié)架構(gòu)。另外AMD還在2009年推出將處理器內(nèi)核與圖形處理用IP內(nèi)核集成在同一芯片上的Fusion系列首款產(chǎn)品。AMD在2007年關(guān)于處理器的努力還包括向x86指令集引入SSE展示雙精流處理器。SSE5將以往只存在于高性能計算專門架構(gòu)里的功能引入x86平臺，以此最大化每條指令的輸出能力，并整合代碼庫，因此SSE5能幫助程序員簡化代碼、提高程序應(yīng)用資源的效率。在SC07超級計算大會上AMD公司推出了第二代微處理器FireStream 9170以及一個相應(yīng)的軟件開發(fā)工具包。FireStream 9170在高性能運算環(huán)境中為處理器提供流運算處理（stream processing）支持，減少處理器的運算壓力。（3）IBM在2007年初Intel宣布取得“高K”介電材料重要突破的同時，IBM也宣布了同樣的消息，在2007年底IBM取得進一步突破，有望在2009年向合作伙伴與客戶提供32nm“高K”技術(shù)。2005月份IBM推出了新一代處理器Power6，這款基于RISC指令的處理器采用65nm制程。Power6有極高帶寬可提供給處理器，另外還有一個內(nèi)存控制器和MCM內(nèi)的結(jié)構(gòu)線路，從而把I/O頻率從CPU頻率的三分之一提高到了二分之一。每個內(nèi)存控制器使用IBM的第三代同步內(nèi)存接口連接到內(nèi)存。IBM的Power6將有單核和多核版本，每核2個線程；Power6采用了1條13級流水線—7級用于浮點運算單元、6級用于整數(shù)運算。Power6二進制浮點單元（BFU）采用高閥值電壓晶體管以降低漏電流。（4）Sun2007年8月份，Sun發(fā)布了新型通用微處理器Ultra SPARC T2（代號為Niagara2）。Niagara2是擁有8顆內(nèi)核、每顆內(nèi)核同時執(zhí)行8個線程的商用處理器，它可在單芯片上提供一個巨大的64路系統(tǒng)，將單芯片上集成的系統(tǒng)功能提升到一個新水平。Sun通過采用“冷線程芯片多線程（Cool Threads Chip Multithreading）”技術(shù)，將每個線程的耗電量降到了2W以下。該處理器具備2個可虛擬化和多線程化的10Gb以太網(wǎng)接口、8個加密加速器以及8個浮點運算單元，其內(nèi)存讀取速度達50GB/s以上。此外，Sun計劃在2008年上半年推出Victoria Falls 16核處理器，下半年推出Rock 16核處理器。（5）其他處理器技術(shù)美國Tilera公司2007年8月20日發(fā)布了64核處理器TILE64，這是該公司Tile系列處理器的首款產(chǎn)品。Tile采用基于網(wǎng)孔（meshbased）的架構(gòu)，內(nèi)核能夠擴展至數(shù)百或數(shù)千個。TILE64的64顆內(nèi)核都可編程，且每顆內(nèi)核都能獨立運行Linux。TILE64放棄了片上總線，采用一種稱為iMesh的互聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)內(nèi)核之間的通信。iMesh具有分布式特性，可以增強格柵網(wǎng)性能和靈活性，聚合帶寬要比總線大若干數(shù)量級，并且內(nèi)核間距離更短，因此iMesh可以根據(jù)應(yīng)用需求建立可大可小的網(wǎng)格，實現(xiàn)“按碼計算”的擴展性和編程靈活性，并帶來性能飛躍和超低功耗。TILE64已被客戶用于信息安全領(lǐng)域。美國加州大學(xué)Riverside分校開發(fā)出名為“Warp processing”的技術(shù)，使得計算機芯片具備自我完善能力（Self Improving），已有IBM、Intel、Motorola等公司