【正文】 5） 高性能計(jì)算的應(yīng)用需求 ? 應(yīng)用需求 – 計(jì)算密集型應(yīng)用 （ Computingintensive)： ? 大型科學(xué)工程計(jì)算，數(shù)值模擬等。 – 數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用 （ Dataintensive)： ? 數(shù)字圖書館，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，數(shù)據(jù)挖掘，計(jì)算可視化等。 – 通信密集型應(yīng)用 （ Networkintensive)： ? 協(xié)同工作，網(wǎng)格計(jì)算，遙控和遠(yuǎn)程診斷等。 12 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 12 1. 高性能計(jì)算的意義（ 6） ? 千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求 應(yīng)用領(lǐng)域 應(yīng)用需求 計(jì)算能力需求 存儲(chǔ)容量需求 生物醫(yī)學(xué) 蛋白質(zhì)電子態(tài)的計(jì)算 藥物發(fā)明中的篩選過程 蛋白質(zhì)折疊 100Tflops 800Tflops 1Pflops 30TB 200TB 1PB 航空航天制造 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模擬和機(jī)翼設(shè)計(jì)模擬 500Tflops 100TB 氣候環(huán)境 短期天氣預(yù)報(bào) 長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào) 局部突發(fā)性災(zāi)難預(yù)報(bào)（如洪水、海嘯） 20Tflops 200Tflops 1Pflops 10TB 100TB 500TB 核能領(lǐng)域 完全等離子分析（包括電子結(jié)構(gòu)分析） 核武器數(shù)值模擬 天然氣燃燒 500Tflops 1Pflops 1Pflops 1PB 1PB 1PB 納米技術(shù) 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析和功能預(yù)測(cè) 新材料發(fā)明 200Tflops 1Pflops 400TB 2PB 天體物理學(xué) 超新星三維模擬 1Pflops 1PB 國(guó)防和國(guó)家安全 密碼破譯 先進(jìn)武器模擬 1Pflops 1Pflops 1PB 1PB 13 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering ? 天氣預(yù)報(bào) 1990年 10次臺(tái)風(fēng)登陸，福建、浙江兩省損失79億元，死亡 950余人。 用途：局部災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)。 目前采用的三維地震勘探比較精確的反映地下情況，但數(shù)據(jù)量大，處理周期長(zhǎng)。 15 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 疊加后數(shù)據(jù)為 ?108個(gè)數(shù)據(jù)?？紤]到機(jī)器持續(xù)速度常常是峰值速度的 1030%，所以需要 100GFlops的機(jī)器。 16 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering ? 航空航天 研究三維翼型對(duì)飛機(jī)性能的影響。 17 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering ? 核武器 核爆炸數(shù)值模擬，推斷出不同結(jié)構(gòu)與不同條件下核裝置的能量釋放效應(yīng)。 設(shè)計(jì)一個(gè)核武器型號(hào)，從模型規(guī)律、調(diào)整各種參數(shù)到優(yōu)選，需計(jì)算成百上千次核試驗(yàn)。 18 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 千萬次機(jī)上算橢球程序的計(jì)算模型需要 4060 CPU小時(shí)。若每維設(shè) 1000網(wǎng)格點(diǎn)，則三維計(jì)算是一維的幾十萬倍之多。 另外還有 I/O能力的要求，可視化圖形輸出 計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)：千億次 /秒（ 1011） 圖像處理： 百億次 /秒（ 1010） AI： 萬億次 /秒（ 1012） 19 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 20 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 21 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 22 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 23 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 23 1. 高性能計(jì)算的意義（ 7） 高性能計(jì)算的戰(zhàn)略地位 ? 從戰(zhàn)略高度上講 – 高性能計(jì)算技術(shù)是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技創(chuàng)新力的重要標(biāo)志，各個(gè)國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。 – 高性能計(jì)算國(guó)防安全、高科技發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的戰(zhàn)略地位。 24 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 24 1. 高性能計(jì)算的意義（ 8） ? 高性能計(jì)算在發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略地位（ 1） – 美國(guó)有關(guān)發(fā)展高性能計(jì)算的建議報(bào)告 ? 從 1982年到 2022年 ，美國(guó)國(guó)防部、能源部、國(guó)家科學(xué)院、國(guó)家科學(xué)基金委以及美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)顧問委員會(huì)、美國(guó)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)、美國(guó)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力委員會(huì)等提出的有關(guān)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)的建議報(bào)告中，大都涉及到了高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)的內(nèi)容。 26 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 26 1. 高性能計(jì)算的意義（ 10） ? 高性能計(jì)算在發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略地位（ 3） – 美國(guó)發(fā)展有關(guān)高性能計(jì)算的行動(dòng)計(jì)劃 ? 1993年，美國(guó)科學(xué)工程技術(shù)聯(lián)邦協(xié)調(diào)理事會(huì)： 《 HPCC (High performance Computing amp。 ? 1996年，美國(guó)能源部和 Lawrence Livermore、 Los Alamos、 Sandia三大核武器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室： 《 ASIC (Accelerated Strategic Computing Initiative) 》 計(jì)劃，提出發(fā)展千萬億次 (Pera=1015)計(jì)算機(jī)的目標(biāo)。 Communication),被擴(kuò)展為 CIC (Computing, Information, Communication)計(jì)劃。 ? 2022年啟動(dòng) HPCS計(jì)劃，希望確定未來 10到 20年超級(jí)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 27 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 27 2022/6/2 1. 高性能計(jì)算的意義（ 11） ? 高性能計(jì)算在發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略地位（ 4） – 美國(guó) 1996年提出的 ASCI（ Accelerated Strategic Computing Initiative）計(jì)劃。 ? 高分辨率、高逼真度、三維、全物理、全系統(tǒng)的規(guī)模和能力。 ? 隨著第一個(gè)十年研究結(jié)束，已經(jīng)開始為下一個(gè)十年發(fā)展制訂規(guī)劃。 – 提出要全面提升我國(guó)的自主創(chuàng)新能力，以期將我國(guó)在 2020年前建設(shè)成為一個(gè)創(chuàng)新型國(guó)家。 ? 1992年，曙光投入 200萬元研制曙光一號(hào)。 ? 1994年，銀河 I的換代產(chǎn)品銀河 II在國(guó)家氣象局正式投入運(yùn)行，其系統(tǒng)性能達(dá)每秒 10億次，大大縮短了我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家的差距。 ? 1999年，首臺(tái) “ 神威 I” 計(jì)算機(jī)通過了國(guó)家級(jí)驗(yàn)收，并在國(guó)家氣象中心投入運(yùn)行。 ? 2022年，世界上第一個(gè)萬億次機(jī)群系統(tǒng)聯(lián)想深騰 1800出世，獲得 2022年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。 ? 2022年，曙光 4000A成功研制，使中國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后第三個(gè)能研制 10萬億次商品化高性能計(jì)算機(jī)的國(guó)家（進(jìn)入 TOP500前 10位）。天梭榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。 ? 2022年 12月，中國(guó)首臺(tái)采用國(guó)產(chǎn)高性能通用處理器芯片 “ 龍芯 2F” 的萬億次高性能計(jì)算機(jī)“ KD50I” 研制成功。 ? 30720顆計(jì)算核心，磁盤 700TB ?采用低延遲的 20Gb的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) IBM―Roadrunner走鵑” TOP500中第一 ?曙光 5000 39 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering ?峰值速度和實(shí)測(cè)速度分別為每秒 億次和 ? CPU/GPU混合異構(gòu)系統(tǒng) ?6144個(gè)通用處理器；5120個(gè)加速處理器 內(nèi)存總?cè)萘?98TB ?通信帶寬 40Gbps共享磁盤總?cè)萘繛?1PB 。 也稱為：巨型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī) ?并行計(jì)算機(jī) 由多個(gè)處理單元組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些處理單元相互通訊和協(xié)助，能夠高速、高效地求解大型復(fù)雜問題。 之所以稱為 “ 專用 ” ，并不是說它們只能運(yùn)行某種應(yīng)用，是指它們的組成部件是專門設(shè)計(jì)的，它們的 CPU板，內(nèi)存板， I/O板，操作系統(tǒng)，甚至 I/O系統(tǒng)，都是不能在其它系統(tǒng)中使用的。 ? 普及時(shí)代 高性能計(jì)算機(jī)價(jià)格下降，應(yīng)用門檻降低，應(yīng)用開始普及。 商品化趨勢(shì) 使得大量生產(chǎn)的商品部件接近了高性能計(jì)算機(jī)專有部件 標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì) 使得這些部件之間能夠集成一個(gè)系統(tǒng)中，其中 X86處理器、以太網(wǎng)、內(nèi)存部件、 Linux都起到?jīng)Q定性作用。 44 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 并行向量機(jī) ? SMP ? DSM（ NUMA） ? MPP，節(jié)點(diǎn)可以是單處理器的節(jié)點(diǎn)，也可以是SMP， DSM ? Cluster ? Constellation 45 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類型 ? Flynn分類： ?SISD, SIMD, MIMD, MISD ? 結(jié)構(gòu)模型： ?PVP, SMP, MPP, DSM, COW ? 訪存模型： ?UMA, NUMA, COMA, CCNUMA, NORMA 46 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 并行計(jì)算機(jī)分類 Flynn分類 Flynn(1972)提出指令流、數(shù)據(jù)流和多倍性概念，把不同的計(jì)算機(jī)分為四大類： – SISD（ SingleInstruction SingleData） – SIMD（ SingleInstruction MultiData） – MISD（ MultiInstruction SingleData） – MIMD（ MultiInstruction MultiData） 現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)都屬于 MIMD。 系統(tǒng)是對(duì)稱的； – 微處理器 : 一般少于 64個(gè) 。 49 Advanced Computer Architecture The School of Information Science and Engineering 分布式共享存儲(chǔ)系統(tǒng) (DSM) ? DSM – 分布共享存儲(chǔ) : 內(nèi)存模塊物理上局部于各個(gè)處理器內(nèi)部 ,但邏輯上 (用戶 )是共享存儲(chǔ)的 。局部與遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問的延遲和帶寬不一致 ,310倍 ?高性能并行程序設(shè)計(jì)注意 。 – 代表 : SGI Origin 2022, Cray T3D。amp。 ?70年代初研制成功 STAR100向量機(jī)，這是世界上最早的向量機(jī)。 ?向量機(jī)鼎盛階段（ 19761990） 向量機(jī)處理對(duì)提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度十分有利，有利于流水線的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于時(shí)鐘周期已接近物理極限，向量計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展已經(jīng)不太可能。各種新技術(shù)層出不窮，大公司也紛紛介入。 截至 2022年 6月，世界上已有14萬億次機(jī)，超過 3000億次機(jī) 62臺(tái)。 ?各種體系結(jié)構(gòu)并存階段（ 1995年） 機(jī)群發(fā)展 NOW, IBM SP2, ASCI Q 定制機(jī)器 ES BlueGene 58 Advanced Computer Architecture