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更强大的计算 高性能计算领域成功案例

2008-12-25 9:24:00　文/责编：maxi　出处：IT.com.cn(IT世界网)

　　高性能计算机速度的飞涨不仅为众多用户带来了更强大的计算资源，而且也为高性能计算系统树立了新的标准，进入了新的时代。同时，这一年里，图形处理器加速计算也突飞猛进。这一年，每秒千万亿次的超级计算机成为高性能计算领域最热门的话题。

　　并行编程加速发展

　　大牌厂商和学术机构首次支持联合的并行编程研发，建立了两个通用并行计算研究中心。英特尔、微软、加州大学伯克利分校和伊利诺大学香宾分校联合研究如何将多核编程推广为主流编程。这些厂商投入了200万美元，伊利诺大学香宾分校投入了800万美元，加州大学伯克利分校向州政府申请了700万美元。这个计划不完全是曼哈顿计划，但是，是一个好的开端。

　　Cray采用英特尔处理器

　　今年4月，超级计算机厂商Cray和芯片厂商英特尔联姻，宣布要联合研发产品线。这个新的合作的第一个产品是今年9月份诞生的名为CX1的“个人超级计算机”。考虑到AMD在高端服务器市场的竞争地位的下降和英特尔的多核处理器目标，这两家公司采取联合的步骤是合乎逻辑的，不仅是对Cray有利。

　　每秒计算千万亿次的时代已近开始

　　今年6月，IBM和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室安装了全球第一代每秒计算千万亿次的超级计算机，代号是“Roadrunner”。5个月之后，Cray和橡树岭国家实验室开发了第二台每秒计算千万亿次的超级计算机。这两个超级计算机都使用AMD Opteron处理器。但是，IBM的机器在大多数浮点运算中都依靠Cell处理器。

　　图形处理器计算确立自己的地位

　　随着配置NVIDIA和AMD的双倍精度智能元件的teraflop(万亿次浮点运算)级图形处理器在今年上市，图形处理器芯片将成为大众市场的商品化处理器。虽然目前这种处理器的应用并不多，但是，图形处理器加速的个人超级计算机、图形处理器编辑器、CUDA(计算统一设备架构)的继续普及和OpenCL标准的批准等因素正在迅速地完善GPGPU生态系统。同以往一样，英特尔仍持怀疑态度。

　　个人超级计算机揭开面纱

　　谈到个人超级计算机，Cray只是在2008年重新推出适用于办公的高性能计算机的许多厂商之一。NVIDIA Tesla图形处理器提高了这种桌边系统的速度。戴尔、Microway、Penguin Computing、Colfax、BOXX、联想、Velocity Micro、华硕以及其它一些厂商都推出了这种产品。甚至Cray的CX1现在也配置了Tesla设备。个人超级计算机的长远前景仍有待商榷。但是，如果研发人员能够在自己的办公桌旁放一台拥有几万亿次浮点运算的超计算机，这对于这个行业来说将是一种有可能改变游戏规则的大事。

　　新兴企业不怕经济衰退

　　尽管整个2008年经济都在下降，新的高性能计算公司继续在出现。我们发现的一些最有趣的公司是：Convey Computer (成套可重构计算)、Nimbus Services (高性能计算服务)、Arista Networks (高性能万兆以太网交换机)和Darkstrand (国家LambdaRail网络服务提供商)。我们期待着看到2009年将出现什么新公司。

　　并行编程加速发展、每秒计算千万亿次的时代、个人超级计算机揭开面纱……2008年的高性能计算领域在辉煌的同时，还是有一些令人遗憾的事情，例如Linux Networx的衰落、SGI的一如既往的亏损等等。

高性能计算机的应用

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德国千万亿次运算的超级计算机Jugene

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中国千万亿次天河一号超级计算机

　　通常把大型和超级计算机称为高性能计算机，应用广泛，主要领域可概括为以下十个方面：

1. 石油勘探

　　地震勘探是确定地质构造的重要方法，在石油地质勘探中占据十分重要的位置。石油钻井井位的确定很关键，定错一个井位，达不到勘探目的，损失将十分惨重。一般而言，100平方公里的三维地震资料数据多达30GB-60GB，这些海量数据的分析计算、深度偏移技术和成像技术，需要使用每秒10亿次运算速度的计算机运算60天。

2. 卫星图象处理

　　微波成象数据十分庞大，而且微波成象处理有比较高的实时性要求，研究微波遥感图象并行处理方法和实用化技术，特别面向先进系统结构算法和友好的用户界面的技术研究和开发，是遥感技术在农林、地质、水文、考古和全球环境探测等国民经济建设各领域以及国防建设中发挥作用的关键。

3. 环保与气象

　　20世纪二十年代初，天气预报方程已基本建立，但只有在计算机出现以后数值天气预报才成为可能。而在使用并行计算机系统之前，由于受处理能力的限制，只能做到24小时天气预报。高性能计算是解决数值预报中大规模科学计算的必要手段。采用高性能计算技术，可以从提高分辨率来提高预报精度。

4. 汽车制造

　　高性能计算是制造业信息化的基础。企业信息化包括三个方面：一是把电子电器部件融入产品中，丰富产品功能，提高产品质量，即所谓“电子化”；二是以信息管理、资源管理、流程管理等信息化为主要内容，强调的是“管理”，如ERP、MIS等；三是以CAD/CAE/CAM等为核心，强调的是“技术”和“产品”。制造业信息化主要指后者。运用高性能计算机，可以开展数字仿真和数值模拟研究，在更短的时间内设计开发出性能更佳的汽车，并进行虚拟汽车碰撞实验，实现汽车人性化设计，提高安全可靠性、环保舒适度、提升汽车工业整体设计水平。缩短设计周期、提高设计水平、降低设计成本。

5. 航空航天。

　　航空航天工业中，高性能计算主要应用在科学计算、实时仿真、图象处理、人工智能、数据库建立和计算机辅助设计等方面。在当代飞行器的设计中，高性能计算和风洞试验、自由飞行一起构成了获得飞行器气动力数据的三种手段。采用计算流体力学和计算气动力学方法可缩短周期、降低费用，还可以改变参数、重复计算。对那些目前不能在特定的飞行状态下进行实验的未来飞行器来说，数值模拟方法可以减少其设计风险，并在风洞实验前迅速确定出有希望的设计方案。美国等技术先进国家，总是将性能最好的并行计算机装备在国家宇航局。

6. 国防工业

　　装甲防护性能研究、子母弹抛撒模拟、战斗部侵彻模拟、装药安全性评估、国防工事抗损性等都大量用到计算机仿真与数值模拟方法。这些研究工作，通过实验手段往往不能获得全面的结果，运用数值模拟技术，所有的“实验”都是虚拟的，在计算机系统上完成。而且这些“实验”可以考虑各种可能状态，包括极限状态。目前数值模拟技术已经在武器装备研制中发挥着重要作用。

7. 水利水电

　　水利大坝设计、构筑工艺、安全性与延寿等问题都是水利水电部门需要解决的大问题，这些问题的计算规模主要由计算域决定，往往比较大，高性能计算机系统是解决这一类问题的必要工具。

8. 药物设计

　　随着计算机技术的飞速发展，药物的设计和发现也开始从主要靠“运气”和大量合成工作随机发现药物向利用计算机有目的的、合理的设计药物的方向发展。CADD的主要目的是利用统计学和分子模型化技术来指导新的先导结构的设计或发现，减少把药物推向市场前所耗费的大量时间和资源。

9. 生物信息学

　　生物信息学是把基因组DNA序列信息分析作为源头，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言，找到代表蛋白质和RNA基因的编码区，特别是阐明非编码区的实质；同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预测；然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计。因此在基因组研究时代，生物信息学包含三个重要内容，它们是基因组信息学、蛋白质的结构模拟以及药物设计。无论是对于计算机科学理论，快速算法设计与分析，还是对于高性能计算机的开发，生物信息学都提出了很多挑战性的问题。

10.科学与工程计算

　　科学与工程计算以计算数学与计算力学为基础，解决各类科学与工程问题，研究各类数值软件的开发技术。如数值代数、偏微分方程数值解、最优化方法、理论力学、流体力学、控制系统CAD、模拟与Monte-Carlo方法、数学物理中的反问题、计算机图形学等在计算物理、计算化学、计算材料学、地球物理学、天文学等许多领域具有广泛应用。