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高性能計算的應用發展

大家已逐漸認同這壹觀點,高性能計算機是價格在10萬元以上的服務器。之所以稱為高性能計算機,主要是它跟微機與低檔PC服務器相比而言具有性能、功能方面的優勢。高性能計算機也有高、中、低檔之分,中檔系統市場發展最快。從應用與市場角度來劃分,中高檔系統可分為兩種,壹種叫超級計算機,主要是用於科學工程計算及專門的設計,如Cray T3E;另壹種叫超級服務器,可以用來支持計算、事務處理、數據庫應用、網絡應用與服務,如IBM的SP和國產的曙光2000。

從市場的角度來講,高性能計算機是高技術、高利潤而且市場份額在不斷擴大的壹個產業。高性能計算機在政府部門、科研等領域的廣泛應用,對增強壹個國家的科技競爭力有著不可替代的作用。另外,美國和歐洲的經驗已經證明,企業使用高性能計算機能夠有效地提高生產率。

高性能計算機的發展趨勢主要表現在網絡化、體系結構主流化、開放和標準化、應用的多樣化等方面。網絡化的趨勢將是高性能計算機最重要的趨勢,高性能計算機的主要用途是網絡計算環境中的主機。以後越來越多的應用是在網絡環境下的應用,會出現數以十億計的客戶端設備,所有重要的數據及應用都會放在高性能服務器上,Client/Server模式會進入到第二代,即服務器聚集的模式,這是壹個發展趨勢。

網格(Gird)已經成為高性能計算的壹個新的研究熱點,是非常重要的新興技術。網絡計算環境的應用模式將仍然是Internet/Web,但5~10年後,信息網格模式將逐漸成為主流。在計算網格方面美國大大領先於其他國家。有壹種觀點認為,美國當前對於網格研究的支持可與其70年代對Internet研究的支持相比,10年後可望普及到國民經濟和社會發展的各個領域。網格與Internet/Web的主要不同是壹體化,它將分布於全國的計算機、數據、貴重設備、用戶、軟件和信息組織成壹個邏輯整體。各行業可以在此基礎上運行各自的應用網格。美國開始了STAR-TAP計劃,試圖將網格擴展到全世界。

在體系結構上,壹個重要的趨勢是超級服務器正取代超級計算機而成為高性能計算的主流體系結構技術。高性能計算機市場的低檔產品將主要是SMP(Symmetric MultiProcessor,對稱多處理機),中檔產品是SMP、CC-NUMA(Cache Coherent-Non Uniform Memory Access,支持緩存壹致性的非均勻內存訪問)和機群,高檔產品則將采用SMP或CC-NUMA節點的機群。在2001年左右,將會出現結合了NUMA(COMA和CC-NUMA)和機群體系結構優點的混合式結構,稱之為Cluster-NUMA(C-NUMA)系統。可重構、可分區、可配置特性將變得越來越重要。此外還有壹種新興的稱為多線程(Multithreading)體系結構將用於超級計算機中,它的代表是Tera公司的MTA系統,壹臺8 CPU的MTA已經成功地運行在聖地亞哥超級計算機中心。值得註意的是,所有廠家規劃的高檔系統都是機群,已經有廠家開始研究C-NUMA結構。

美國壹直是世界上最重視高性能計算機、投入最多和受益最大的國家,其研究也領先於世界。美國能源部的加速戰略計算ASCI計劃,目標是構造100萬億次的超級計算機系統、軟件和算法,在2004年真實地模擬核爆炸;白宮直屬的HECC(High-End Computing and Computations)計劃,對高性能計算的關鍵技術進行研發,並構建高性能基礎設施;Petaflops計劃開發構造千萬億次級系統的技術;最新的Ultrascale計劃目標在2010年研制萬萬億次級系統。日本計劃將於2002年研制成40萬億次的並行向量機。歐洲的強項則主要體現在高性能計算機的應用方面。

總的來說,國外的高性能計算機應用已經具有相當的規模,在各個領域都有比較成熟的應用實例。在政府部門大量使用高性能計算機,能有效地提高政府對國民經濟和社會發展的宏觀監控和引導能力,包括打擊走私、增強稅收、進行金融監控和風險預警、環境和資源的監控和分析等等。

在發明創新領域,殼牌石油公司通過全球內部網和高性能服務器收集員工的創新建議,加以集中處理。其中產生了壹種激光探測地下油床的新技術,為該公司發現了3億桶原油。在設計領域,好利威爾公司和通用電氣公司用網絡將全球各地設計中心的服務器和貴重設備連於壹體,以便於工程師和客戶***同設計產品,設計時間可縮短100倍。對很多大型企業來說,采購成本是總成本的重要組成部分。

福特用高性能計算機構造了壹個網上集市,通過網絡連到它的3萬多個供貨商。這種網上采購不僅能降低價格,減少采購費用,還能縮短采購時間。福特估計這樣做大約能節省80億美元的采購成本。此外,制造、後勤運輸、市場調查等領域也都是高性能計算機大顯身手的領域。

高性能計算機能為企業創造的價值是非凡的,國外的企業和用戶已經充分地認識到這壹點。壹個證明是,20世紀90年代中期以來,國外80%以上企業的信息主管在選購機器時考慮高性能計算機,而在20世紀90年代初,這個數字只有15%。

在國內這方面的宣傳教育工作還很不夠,沒有讓企業、政府和社會充分認識到高性能計算機的益處,從而導致了壹些觀念上的誤解。以往壹提起高性能計算機,人們馬上就會聯想到用於尖端科學計算的超級計算機。實際上,高性能計算機90%的用途是非科學計算的數據處理、事務處理和信息服務,它早已不是象牙塔裏的陽春白雪。隨著“網絡計算”和“後PC時代”的到來,全世界將有數十億的客戶端設備,它們需要連到數百萬臺高性能服務器上。高性能計算機將越來越得到產業界的認同,成為重要的生產工具。

此外,人們壹直以來還有這樣壹個認識誤區,認為高性能計算機是面向高新產業和服務業的,而傳統產業(尤其是制造業)並不需要使用。事實上,高性能計算機能夠廣泛應用於生物、信息、電子商務、金融、保險等產業,它同時也是傳統產業(包括制造業)實現技術改造、提高生產率——“電子生產率”(e-productivity)和競爭力的重要工具。高性能計算已從技術計算(即科學計算和工程計算)擴展到商業應用和網絡信息服務領域。的曙光2000-Ⅱ就瞄準了技術計算、商業應用和網絡服務這3個領域的應用。

應該說,高性能計算機在國內的研究與應用已取得了壹些成功,包括曙光2000超級服務器的推出和正在推廣的壹些應用領域,如航空航天工業中的數字風洞,可以減少實驗次數,縮短研制周期,節約研制費用;利用高性能計算機做氣象預報和氣候模擬,對厄爾尼諾現象及災害性天氣進行預警,國慶50周年前,國家氣象局利用國產高性能計算機,對北京地區進行了集合預報、中尺度預報和短期天氣預報,取得了良好的預報結果;此外,在生物工程、生物信息學、船舶設計、汽車設計和碰撞模擬以及三峽工程施工管理和質量控制等領域都有高性能計算機成功應用的實例。

但是總的說來,高性能計算機在國內的應用還比較落後,主要原因在於裝備不足、聯合和配套措施不力及宣傳教育力度不夠。首先,國內高性能計算機的裝機量明顯不足。1997年世界高性能計算機的銷售額美國約為220億美元,中國約為7億美元。美國的微機銷售額約占世界市場的38%,高性能計算機占世界的34%,均高於其GDP所占世界份額(25%左右)。中國的微機銷售額約占世界市場的3%,高於中國GDP的份額(2.6%);但中國高性能計算機銷售額所占世界份額僅為1%左右,低於GDP的份額。從另壹個角度看,中國的微機市場接近美國的1/10,但中國的高性能計算機市場不到美國的1/30。

裝備不足嚴重影響了高性能計算機應用的開發和人才的培養,這些反過來又影響了高性能計算機的使用和裝備。值得慶幸的是,隨著網絡化和信息化工作的深入,國內社會已開始意識到高性能計算機的重要性。1999年,中國高性能計算機的市場銷售額猛增了50%以上。

除了裝備不足之外,我認為社會各行業、各層次的合作和配合不力也是阻礙高性能計算機應用發展的重要原因。應用市場的擴展關鍵要靠聯合,在中國高性能計算機領域,系統廠商、應用軟件廠商與最終用戶和服務商之間並沒有結成有效的戰略聯盟,形成優勢互補的局面。我希望看到的是,曙光、聯想、浪潮的服務器,運行著東大阿爾派、用友、同創等廠家的軟件,在新浪網、8848網上為各行業的用戶提供各種服務。國家正在實施壹個“國家高性能計算環境”的計劃,正朝著這方面努力。

國家863計劃主題正在實施壹個“國家高性能計算環境”的項目,計劃到2000年年底在全國建設10個左右的高性能計算中心,這些中心將通過千兆位網絡互連。目標就是盡量讓全國用戶免費***享全國的計算資源、信息資源和人才資源。這只是壹個初期的項目,估計在2000年下半年會規劃更大的項目。值得註意的是,已經規劃的應用包括生物信息學、數字圖書館、科學數據庫、科普數據庫、汽車碰撞、船舶設計、石油油藏模擬、數字風洞、氣象預報、自然資源考察和遠程教育等領域。

2000年5月14~17日,國內將在北京組織壹個“亞太地區高性能計算國際會議及展覽”,屆時全球二十幾個國家和地區的代表以及國內外主流的服務器廠商將參加會議,會議計劃圍繞壹些課題做特邀報告:美國工程院院士、Microsoft資深科學家Gordon Bell將討論“後PC時代:當計算、存儲和帶寬都免費時,我們面臨什麽樣的挑戰?”,自由軟件創始人Richard Stallman 將討論“自由軟件運動及GNU/Linux”,俄羅斯科學院院士Boris Babayan將介紹俄羅斯花了6年功夫新近發明的壹種電腦芯片,據稱它比Intel的Pentium Ⅲ和Itanium快幾倍,而且具有安全、防病毒功能。

IBM深度計算研究所所長Pulley Blank將介紹“深藍、基因藍以及IBM的深度計算戰略”。從會議的內容上我們能夠看出,高性能計算的範圍已超出了高端科學計算的領域。相信這次會議對國內高性能產業的發展將起到壹定的推動作用。

此外,國家還有壹個重大基礎研究計劃(也叫973項目)。高性能計算已經成為科技創新的主要工具,能夠促成理論或實驗方法不能取得的科學發現和技術創新。973項目中的很多項目(尤其是其中的“高性能軟件”和“大規模科學計算”項目)都與高性能計算機有著密切的關系。

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