、中國科生金7飛計養機科學與技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

高性能計算與高性能計算機

HighPerformanceComputingandHighPerformanceComputers

陳國良

深圳大學計算機與軟件學院

國家高性能計算中心（合肥）

國家高性能計算中心深圳分中心

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

摘要

高性能計算是一個國家的綜合國力的體現，是支撐國家

實力持續發展的關鍵技術之一，在國防安全、高科技發展和

國民經濟建設中占有重要的戰略地位。計算科學已經和傳統

的理論科學與實驗科學并列成為第三門科學，它們相輔相成

地推動著人類科技發展和社會文明的進步。21世紀科學最重

要和經濟上最有前途的研究前沿，有可能通過熟練地掌握先

進的計算技術和運用計算科學得到解決。

本報告首先簡單地介紹一下高性能計算的含義、特點、

應用需求、地位和作用；接著講述國際高性能計算機和我國

高性能計算機的發展狀況；然后概略地談一下應用實例；最

后對加速我國高性能計算及高性能計算機的發展發表幾點參

考意見。

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-8

2

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofCnirik

EUT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAHOTECHNOLXlEr

目錄

1.高性能計算的意義

2.高性能計算的發展與現狀

3.高性能計算的典型應用

4.高性能計算的挑戰與機遇

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-8

7飛計養機科學與技才系

5g的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

1.離犍怩計算的意義（i）

i.i高性能計算的內在含義

1.2高性能計算的應用需求

1.3高性能計算的戰略地位

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-8

4

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

口FCDf/IPUTERSCJEMCEAHOTECHNOLXlEr

1.之桃怩計真的意義(2)

1.1高性能計算的內在含義

■計算和計算科學

?所有的學科都轉向定量化和精確化

?三大科學：理論科學、實驗科學和計算科學

A計算科學是一個交叉學科,用計算的方法來解決應用問題。

?適用于理論模型復雜或尚未建立、實驗費用昂貴或無法進

行。

A計算物理、計算化學、計算生物學、計算地質學、計算氣

象學。

＞并行計算是跟上摩爾定律的重要手段。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

5

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DKPARTMEtITDFCOMPUTERSCJEHCEAtIDTECHNOLXltSf

1.方樵怩希耳的意義(3)

■高性能計算的含義

?高性能計算簡稱HPC(HighPerformance

Computing),泛指量大、快速、高效的運算。

?高性能計算主要包括：

＞向量計算

＞并行計算

?分布式計算

A網絡計算

?網格計算高性能計算

?云計算

廠■\廠

向量計算并行計算分布式計算網格計算元計算

yyIy＜1

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

6

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

口FCDf/IPUTERSCJEMCEAHOTECHNOLXlEr

1.之桃怩計真的意義(4)

■高性能計算的量綱

前綴縮寫基塞含意數值

KiloK103Thousand千

MegaM106Million兆，白力

GigaG109Billion千兆，10億

TenaT1012Trillion垓，萬億

PetaP1015Quadrillion千萬億

ExaE1018Quitillion百億億

Flops：每秒所執行的浮點運算次數(floating-pointoperationspersecond

)

目前的PC機運算速度通常在GFIops量級，高性能計算機運算速度則在TFIops

至PFIops量級。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

7

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.裔植惚必靠的意義(5)

L2高性能計算的應用需求

■應用需求

?計算密集型應用(Computing-intensive):

A大型科學工程計算，數值模擬等。

?應用領域：石油、氣象、CAD、核能、制藥、環境監測分

析、系統仿真等。

?數據密集型應用(Data-intensive):

?數字圖書館，數據倉庫，數據挖掘，計算可視化等。

?應用領域：圖書館、銀行、證券、稅務、決策支持系統等。

?通信密集型應用(Network-intensive):

?協同工作，網格計算，遙控和遠程診斷等。

A應用領域：網站、信息中心、搜索引擎、電信、流媒體等。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.之桃怩計兵的意義（6）

■千萬億次超級計算機的應用需求

應用領域應用需求計算能力需求存儲容量需求

生物醫學蛋白質電子態的計算lOOTflops30TB

藥物發明中的篩選過程800Tflops200TB

蛋白質折疊IPflops1PB

航空航天制造發動機燃燒模擬和機翼設計模擬500Tflops100TB

氣候環境短期天氣預報20Tflops10TB

長期天氣預報lOOTflops100TB

局部突發性災難預報（如洪水、海嘯）IPflops500TB

核能領域完全等離子分析（包括電子結構分析）500Tflops1PB

核武器數值模擬IPflops1PB

天然氣燃燒IPflops1PB

納米技術復合材料的結構分析和功能預測200Tflops400TB

新材料發明IPflops2PB

天體物理學超新星三維模擬IPflops1PB

國防和國家安全密碼破譯IPflops1PB

先進武器模擬IPflops1PB

國家高性能計算中心（合肥）9

中國科幻計募機科學與技才系

F-yfirTsrsit7ofScienceBindTschriologyofCcr\ur?ic*

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

1.裔植惚必靠的意義(7)

1.3高性能計算的戰略地位

■從戰略高度上講

?高性能計算技術是一個國家綜合國力的體現。

?高性能高計算是支撐國家實力持續發展的關鍵技術之一。

?高性能計算國防安全、高科技發展和國民經濟建設中占

有重要的戰略地位。

?重大挑戰問題：飛機設計、藥物設計、全球氣候預測、

人類基因、海洋環流新材料、油藏數值模擬、生物分子

結構、半導體建模、超導建模等。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

10

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.之桃怩計真的意義（8）

■高性能計算在發達國家的戰略地位（1）

?美國有關發展高性能計算的建議報告

A從1982年到2005年，美國國防部、能源部、國家科學院、

國家科學基金委以及美國總統信息技術顧問委員會、美國

信息技術咨詢委員會、美國國家競爭力委員會等提出的有

關信息技術和計算機的建議報告中，大都涉及到了高性能

超級計算機的內容。

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-8

11

―計算譏科學與技術系I

Scisncscine!Tsch^ologyofChina

JTDFCOMPUTERSCJErlCEAMDTECHNOLXIW(

1.裔桃惆計算的意義(9)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(2)

＞清單(按年代排序)

/1982年，美國國家科學院：《關于科學研究及工程中的大規模計算》

/1993年，美國國家科學院：《從臺式計算機到萬億次計算機：充分發揮美

國在高性能計算領域領導權》

/1995年，美國國家科學院：《特別工作組關于未來國家科學基金委超級計

算中心計劃報告》

/1996年，美國總統信息技術顧問委員會：《信息技術研究：為了未來》

/2000年，美國國家科學院：《促使信息技術更好》

/2001年，美國國家科學院：《無處不在》

/2002年,美國國防部：《適用于國家安全部門的高性能計算》

/2003年,美國能源部：《基于科學的大規模模擬》

2003年,美國國家科學基金委：《通過計算機基礎結構變革科學與工程》

2003年,美國國家科學基金委：《信息時代的知識丟失》

/2004年,美國國家競爭力委員會：《促使美國變革并提高競爭力》

2004年,美國跨機構：《聯邦高端計算計劃一高端計算復興特別工作組》

/2005年,美國國家科學院：《超級計算機未來》

2005年，美國總統信息技術顧問委員會：《計算科學：確保美國競爭力》

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-812

專計募機科學與技才系

刖JzrsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.裔桃惚行事的意義HO；

■高性能計算在發達國家的戰略地位(3)

?美國發展有關高性能計算的行動計劃

A1993年，美國科學工程技術聯邦協調理事會：《HPCC(High、、

performanceComputing&Communication)GrandChallenged計戈I，

提出發展萬億次(Tera=l(p2)計算機計劃。」

A1996年，美國能源部和LawrenceLivermore、LosAlamos>Sandia

三大核武器國家實監室：《ASIC(AcceleratedStrategicComputing

Initiative)>計劃，提出發展千萬之次(Pera=l()i5)計算機的目標。

>1997年,HPCC包括了HECC(HighEndComputing&

Communication),被擴展為CIC(Computing,Information,

Communication)計戈。

>1998年度的CIC藍皮書，將千萬億次計算機硬件和軟件研制列入

了計劃中。

>2002年啟動HPCS計劃，希望確定未來10到20年超級計算機的體系

結構。

國家高性能計算中心(合肥)

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.之桃怩計真的意義(11)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(4)

?美國1996年提出的ASC工(AcceleratedStrategicComputing

Initiative)計劃。

A通過數值模擬，評估核武器的性能、安全性、可靠性等。

A高分辨率、高逼真度、三維、全物理、全系統的規模和能力。

A計劃研制5代計算平臺，目前，前四代已完成，第五代平臺正在研制。

＞隨著第一個十年研究結束，已經開始為下一個十年發展制訂規劃。

Witt)NuclearExperimentsWithoutNuclearExperiments

Willitwartasdesgned?Willitoortinuetoworkasitages?

IstheSimula!)ongoodenoughtoriskIsthesimulanonadequateformaking

thecostofanudearexperment?decisionsaffectingnaliondsecurity?

國家高性能計算中心(合肥)

'中國科處計募機科學與技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

1.裔桃惚行事的意義(12)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(5)

?ASG平臺性能發展圖

國家高性能計.

、中國科生士專計募機科學與技才系

iSFffvsrsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

1.裔植怩計算的意義(13)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(6)—ASC工高性能計算機

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

16

、中國科牝7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

口FCDf/IPUTERSCJEMCEAHOTECHNOLXlEr

1.之桃犍計真的意義(14)

■高性能計算在發達國家的戰略地

位(7)

?美國2002年啟動的千萬億次

超級計算機研究HPCS計劃

A從2002年起的兩年多時間里，ES占

據TOP1位置

>Cluster并不是HPC的最終體系結構

>美國DARPA于2002年啟動高生產

率計算系統(HighProductivity

ComputingSystems)HPCS計戈U

-希望確定未來年甚至年的高

1020HPCSProgramFocusAreas

性能計算機體系結構

-高生產率而非峰值計算能力作為

評價指標

-高性能計算的一個新的創新時代

的開始

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

、中國科亞專計募機科學與技才系

TIvsrsityofScisncsandTechnologyofChina

ErITOFCOMPUTERSCJEMDEAlIDTECHNOUDOf

1.裔桃惚行事的意義(15)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(8)

?HPgs計劃的三個階段

HPCSProgramPhasesI-IIIPAPPm

VMM*HMMIIHMI?X

EarlyAcadennaEarly

MetricsandProducts

BenchmarksSoftwareResearchPilot

HPCSToolsPlatformsPlatforms

Capabilityor

ProductsA'A

equirements

ApplicationandMetrics

Analysis

Perfonnance

Research

AssessmentS'JistemPrototypes

Conceptsign&PilotSystems

Reviewsiew二DR

Industry

PIasell

Read:n(ssReviewsPhase：ilReadinessReview

FiscalYear0240708

\PhaseIPhaseIIPhaseIII

IncusnyProcurement

\IndustryR&DFullScaleDevelopment

CnbcalProgramCAcceptStui

國家高性能計方Mifes:ones

R5GWilQ3

計募機科學與技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EtJT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAMDTECHNOLXlEr

1.裔桃惚行事的意義(16)

■高性能計算在發達國家的戰略地位(9)

?HPCS的設計策略

IVIUUD2

Symmetric

ParallelfUhi^rocessorsHPCSFocus

Shared-MemoryVectoizDistribthedShared

Multi-ProcessingTailorableBalancedSolutions

Penormance

Characterizationogramming

Massivi&PrecisionModels

Distributed-MemoryParalMSystemHardware

Multi-ComputingProcessArchitectureTechnology

“MPl”

VectorCommodity

SupercomputerHPC

SinglePointDesignSolutions

AreNoLongerAcceptable

RBG04/1W311

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.裔桃惚行事的意義(17)

■高性能計算在我國的戰略地位(1)

2006年2月，國務院發布《國家中長期科學和技術發

展規劃綱要(2006~2020年)》

?指出加速發展高性能計算對提高我國國防建設與國

家安全、國家經濟建設、國家重大工程和基礎科學

研究等尖端科技領域的核心支撐能力，具有十分重

要的戰略意義。

?提出要全面提升我國的自主創新能力，以期將我國

在2020年前建設成為一個創新型國家。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

20

中國科里7飛計養機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

DEPAFiT?4EtITOFCOr/IPUTEHSCJEMCEAMDTECHtlOLQDf

1.方樵惋計f的意義(18)

■高性能計算在我國的戰略地位(2)

?中國高性能計算發展大事記

>1983年，由國防科技大學研制的銀河I型億次巨型機系統的成功問世，標志著我國具備

了研制高端計算機系統的能力。

>1992年，曙光投入200萬元研制曙光一號。隨后，曙光一號、曙光1000、曙光2000、曙

光3000、曙光4000相繼問世。

>1994年，銀河I的換代產品銀河II在國家氣象局正式投入運行，其系統性能達每秒10億

次，大大縮短了我國與先進國家的差距。

>1997年，銀河HI并行巨型計算機在北京通過國家鑒定，峰值性能為每秒130億浮點運算。

>1999年，首臺“神威I”計算機通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。

>2000年，由1024個CPU組成的銀河IV超級計算機系統問世，峰值性能達到每秒1.0647萬

億次浮點運算。

>2002年，世界上第一個萬億次機群系統聯想深騰1800出世，獲得2004年國家科技進步

二等獎。

>2003年，聯想深騰6800問世把世界機群計算推向新的高峰。

>2004年，曙光4000A成功研制，使中國成為繼美國、日本之后第三個能研制10萬億次商

品化高性能計算機的國家(進入TOP500前10位)。

>2005年，中國高性能計算機性能TOP100排行榜揭曉，曙光位居第一。天梭榮獲國家科

學技術進步二等獎。

>2006年，曙光高性能計算機被胡錦濤總書記點評為“中國七大標志性自主創新成果之

一”，曙光4000系列高性能計算機榮獲國家科學技術進步二等獎。

>2007年12月，中國首臺采用國產高性能通用處理器芯片“龍芯2F”的萬億次高性能計

算機“KD-50-I”研制成功。

>2008年6月24日，中國科學院計算技術研究所、曙光公司和上海超級計算中心在中科院

計算所聯合舉行了曙光5000落戶上海超級計算中心的簽約儀式。

國家高性能計算中心(合肥)2011-1-8

21

、中國科織計募機科學與技才系

TIvsrsityofScisncsandTechnologyofChine*

ErITOFCOMPUTERSCJEMDEAlIDTECHNOUDOf

1.裔植怩計算的意義（19）

■高性能計算在我國的戰略地位（3）—國產高性能計算平臺

國家高”天河1號（THT）

22

京考計算譏科學與技才:系

小智rnv3srsityofSciencecindTechnologyofChina

DEPAFJTfdEtITQFCOMIPUTERSCIENCEAlIDTECHNOUDWr

2.由桃惋計寡的發展與規技(1)

2.1高性能計算機的發展

2.2高性能計算機的現狀

2.3高性能計算面臨的主要問題

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-823

、中國科豺計募機科學與技才系

TIvsrsityofScisncsandTechnologyofChine*

ErITOFCOMPUTERSCJEMDEAlIDTECHNOUDOf

2.由桃怩花耳的發展與規技（2）

2.1高性能計算機的發展

■歷史回顧

ENIACCDC6600:第一臺成功的

2008年左右

主存中只有20個數超級計算機9MFlops

（世界上最快的，直到2000年都在IntelENDEAVOR

TOP500中）464個Intel志強5100系列處理器Peta規模高性能計算機,

第一臺TeraFlop"i十算機6.85TeraFlopMPLinpack,#68

9298個Intel奔騰II志強處理器TOP500

國家高性能計算中心（合肥）2011-1-8

24

中國科卷土計募機科學與技才系

的I&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EPAFJTPlEtITOFCOMPUTER=；C)￡：HCEAMDTECHNOLXJI3f

2.由桃怩花耳的發展與規技(3)

6000

國家高性能計算中心(合肥)802

。微25

、中國科出計募機科學與技才系

F-yfiTvsrsit7ofScience叁門dTechnologyofChica

TMEtJTDFCOMPUTERSCJErlCEAtIDTECHNOLXIWf

2.之被惚行事的發展與觀技（4）

■兩類構造高性能計算機的方式

?采用定制部件?采用商用部件

A價格較高（小于1B$?利用每年80B$的市

市場）場優勢

?對大規模或通信密?對一些計算密集任

集的任務進行了優務有很好的性能

化設計>MPP/機群

A并行向量機

NECSX-6(Japan)CrayX-l(formerlySV-2)

國家高性能計算中心（合肥）

、中國科豺專計募機科學與技才系

打&rsityofScisncsandTechnologyofChina

EUT口FCDf/IPUTERSC2JEMCEAHOTECHNOLXlEr

2.裔被惚行事的發展與觀技（5）

VectorUnit8set?

differenttypeo<vectorpipelines

tvectorregisters(256vectorelements)

并行向量機構造方式7maskrsgisrers(256bits)

?PVP采用全定制部件

?定制的高性能向量處理

器（Gflops）

?節點內多體交叉共享存

ScalarUnit

,4-waysupfirscalar