把准高性能计算时代脉动

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把准高性能计算时代脉动

高性能计算被视为计算机科学与工程的“皇冠”。近年来

各国频繁启动国家层面的研发计划。所谓的高性能计算，其与

一般计算相比，本质特征在于“算力聚合”，它的计算能力比

一般计算机的计算能力要高出一个数量级。高性能计算通过聚

合结构，使用多台计算机和存储设备，以极高速度进行计算，

帮助人类探索科学、工程及社会领域中的一些世界级重大难题。

高性能计算的发展历史。1964 年控制数据公司推出了

CDC6600 计算机。该型号计算机由西摩·克雷设计，综合采用

了当时多项领先的技术，包括硅晶体管、多功能单元并行技术、

专用 I/O 处理机等。CDC6600 每一秒能执行三百万条指令，

与当时其他型号的计算机相比，至少快 3倍以上，其在算力的

统治地位保持了 5年之久。自此，高性能计算成为一个新术语，

CDC6600 通常被认为是第一台高性能计算机，西摩·克雷也被

公认为“高性能计算机之父”。

自诞生以来，高性能计算的发展可以大致划分为四个阶段。

第一个阶段是“向量机时代”，伴随着 1975 年Cray-I 计

算机的问世，向量机成为高性能计算机的主流，向量部件、向

量流水线、向量化、向量编译等向量化技术蓬勃发展。

第二个阶段是“并行处理时代”，在 20 世纪 80 年代后期

使用分布式内存的大规模并行计算在高性能计算领域大行其道。

思维机器公司在 1985 年推出的 CM-1 是一台典型的大规模并

行计算机，每个 CM-1 微处理器都配有 4K 比特随机存取存储

器，基于超立方体的阵列被设计为同时对多个数据点执行相同

的操作，即以单指令、多数据方式执行任务。CM-1 最高可装

配65536 个独立处理器，每个处理器都非常简单，一次处理一

位。在这个阶段中，并行向量机、对称多处理机、非一致性存

储结构等技术迅速发展。

第三个阶段是“微处理时代”，在 2000 年初，基于微处

理机的集群系统在高性能计算领域声名鹊起。与其他并行处理

系统的核心区别在于，集群没有专用的、定制的硬件或软件，

而是由廉价的个人计算机通过高速网络连接构成。在这一时期，

多级互联网络、胖树和网格等成为新的研究热点。

第四个阶段是“异构混合与云计算时代”，2005 年以来，

图形处理单元（GPU）已成为一个强大的计算平台，并已成功

用于加速许多科学工作负载。通常，应用程序的计算密集型任

务被卸载到 GPU，GPU 充当CPU 的并行协处理器。在实际应

用中，高性能计算机系统由许多节点组成，每个节点包含2到

32 个传统CPU 和1到6个GPU，通常还包括一个高速网络和

一个数据存储系统。

高性能计算扮演着越来越重要的角色。高性能计算的发展

已历经了近 1个甲子，从当初的 M级计算到今天的E级计算，

其计算速度已经增长了12 个数量级。伴随着算力的不断增长，

高性能计算在解决科学、工程与社会的“大挑战”过程中也扮

演着越来越重要的角色。从宇宙学中天文 N体模拟到高分辨率

全球海洋模式，从高能物理中的格点量子色动力学到化学中的

第一性原理计算，从全球气候预测到基因测序，从新材料研发

到新药物研制，无一不依赖高性能计算。

可以说，高性能计算的发展日新月异，应用覆盖了人类经

济社会的各个方面，要想窥高性能计算发展之全豹，可以透过

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摘要：

把准高性能计算时代脉动高性能计算被视为计算机科学与工程的“皇冠”。近年来各国频繁启动国家层面的研发计划。所谓的高性能计算，其与一般计算相比，本质特征在于“算力聚合”，它的计算能力比一般计算机的计算能力要高出一个数量级。高性能计算通过聚合结构，使用多台计算机和存储设备，以极高速度进行计算，帮助人类探索科学、工程及社会领域中的一些世界级重大难题。高性能计算的发展历史。1964年控制数据公司推出了CDC6600计算机。该型号计算机由西摩·克雷设计，综合采用了当时多项领先的技术，包括硅晶体管、多功能单元并行技术、专用I/O处理机等。CDC6600每一秒能执行三百万条指令，与当时其他型号的计算机相比，至...

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