2018超级计算机研究报告（AMiner发布）(2)

军事目标驱动阶段也是奠定超级计算机技术基础的阶段。早期超级计算机系统中首创的技术，随着后来的商用计算机系统进入工业主流，例如，IBM 7030 虽然被认为并不成功， 但是它催生了许多在后续计算机中发挥巨大作用的新技术，如晶体管逻辑、多线程、存储器保护、通用中断等等；另外，军事目标的主导作用也催生了超级计算机研究的一种典型管理模式——政府资助支持、国防科研单位主导，目前多数拥有超级计算机技术的国际和地区都采取这种模式。

(2) 公司主导阶段(mid-1960s——1970s)：成本降低、向量处理起步

20 世纪 60 年代中期到 70 年代末期，美国乃至全球的超级计算机行业主要由两家公司主导，即 Control Data 和 Cray Research。在这一阶段，超级计算机的成本得到有效控制，同时向量处理技术的速度得到了大幅提升，大量廉价高速的计算机走向商品市场。

图 2 CDC6600 超级计算机与系统控制台

1964 年，Control Data 的超级计算机 CDC6600 大获成功——在绝对计算能力方面， CDC6600 相比前代超级计算机有了大幅提升（IBM7030 的三倍），以 1Mflops 的运算速度成为 1964-1969 年间最快的计算机；在成本控制方面，CDC6600 以接近甚至低于主流商用机最佳性价比的价格提供超级计算能力。先后有 150 台 CDC6600 被生产出来，在欧美顶级实验室效力于高能核物理研究。

图 3 Cray-1 超级计算机及其内部结构

第一章 计算机基础 一、 单选题...微型计算机中内存储器比外存储器( a ) a.读写速度快 b.存储容量大 c.运算...。【复习内容】1.平面向量数量积（内积）的定义:=________2.平面向量数量积的性质:设均为非空向量:3.向量的数量积满足下列运算律①___________已知向量与实数。intel指出，加入的sse4指令集让penryn 45nm处理器增加了2个不同的32bit向量整数乘法运算单元，并加入8位无符号 (unsigned)最小值及最大值运算，以及16bit 及32bit 有符号 (signed) 运算。

(3) 蓬勃发展阶段(1980s——1990s)：日本崛起、并行计算流行

从 Cray-1 诞生到 80 年代，Cray 系列超级计算机一直盘在全球计算机处理速度之首，直到 1990 年被日本超级计算机 NEC SX-3/44R 超越，超级计算机研发领域美国一家独大的局面得到改善；同时随着并行计算等技术的成熟，超级计算机速度也到达前所未有的数量级。

20 世纪 80 年代，日本政府补贴计算机科研项目，同时推行排除国外竞争对手的产业政策。到了 90 年代，一批深耕半导体领域的日本计算机公司，如富士通、日立、NEC 等，成功获取 IBM 大型机技术的关键部分，并在本土推出了价格实惠的商用计算机系统。

在高性能超级计算机的研发上，日本将大型机开发技术转移到超级计算机上，使本土产品也逐渐具备了与 Cray 系列超级计算机竞争的能力，例如首次超越美国超级计算机的 NEC SX-3/44R、1994 年富士通使用 166 个向量处理器的数字风洞超级计算机、1996 年日立公司使用快速三维交叉网络连接 2048 个处理器的 SR2201 以及后来的 CP-PACS/2048，基本整个 90 年代速度最快的超级计算机都来自日本。

20 世纪 80 年代，业界开始转向并行运算系统。1976 年问世的超级计算机 Cray-1 是单向量机系统，之后为了进一步提高向量机的性能，在系统中不断增加向量部件的数量， 即采用并行向量或多向量部件的技术。1982 年推出的 Cray X-MP/2 有 2 个向量处理部件，1984 年生产的 Cray X-MP/4 有 4 个向量处理部件，1988 年推出的 Cray Y-MP816 最多可有 8 个向量处理部件，而此后出现的 C90 则有 16 个向量处理部件。进入 20 世纪 90 年代后，向量部件数量已达到数百个，1993 年速度最快的 Intel Paragon 可以拥有 1000 到 4000 个不同配置的 Intel i860 处理器，1995 年的 Cray T3E 拥有 2000 多个处理器，并行计算逐渐成为超级计算机主流。

(4) 多向发展阶段（21 世纪以来）：中国赶超、异构集群系统夺魁

太湖之光”由国家并行计算机工程技术研究中心研制，全部采用中国国产处理器构建，是世界上首台峰值计算速度超过十亿亿次的超级计算机，其峰值计算速度达每秒12.54亿亿次，持续计算速度每秒9.3亿亿次，性能功耗比为每瓦60.51亿次。据了解，“神威·太湖之光”由国家并行计算机工程技术研究中心研制，是世界上首台峰值计算速度超过十亿亿次的超级计算机，其峰值计算速度达每秒12.54亿亿次，持续计算速度每秒9.3亿亿次，性能功耗比为每瓦60.51亿次。曙光4000a研制目标是：在2004年6月研制成一套“曙光4000a”超级服务器系统，系统峰值浮点速度为每秒4万亿次，支持科学工程计算、事务处理和网络信息服务的通用高性能计算机，系统与主流商品化系统在部件、应用上二进制兼容，具有可扩展性、安全性、好用性、易管理性、高可用性和支持网格应用的特点。

从历年 TOP500 名单来看，中国在顶尖超级计算机研发上的努力已经突显出来，自 2010 年凭借天河 1 号首次问鼎 TOP500 后，2013 年到 2017 年中国连续五年盘踞榜首。2018 年 6 月，美国能源部宣布建成超级计算机 Summit，其 LINPACK 浮点运算速度为每秒 12.23 亿亿次、峰值接近每秒 18.77 亿亿次，它由 IBM 与 Nvidia 联合建造，现位于田纳西州的橡树岭国家实验室，并凭借 Summit 这一超级计算机登上 TOP500 榜首。

表 1 历年 TOP500 超级计算机排名第一

公司

名称

国家

时间

Summit

美国

2018.06 –今

国家并行计算机工程技术研究中心

神威·太湖之光

中国

2016.6-2017.11

国防科技大学

天河-2

中国

2013.06-2016.06

克雷公司（Cray）

Titan

美国

2012.11-2013.06

蓝色基因/Q

美国

2012.06-2012.11

理化学研究所

京(超级计算机)

日本

2011.06-2012.06

国防科技大学

天河-1

中国

2010.11-2011.06

美洲虎(超级计算机)

美国

2009.11-2010.11

走鹃(超级计算机)

美国

2008.06-2009.11

蓝色基因/L

美国

2004.11-2008.06

日本电气（NEC）

地球模拟器

日本

2002.06-2004.11

ASCI White

美国

2000.11-2002.06

英特尔

ASCI Red

美国

1997.06-2000.11

日立

CP-PACS

日本

1996.11-1997.06

日立

SR2201

日本

1996.06-1996.11

富士通

数值风洞

日本

1994.11-1996.06

英特尔

Paragon XP/S140

美国

1994.06-1994.11

富士通

数值风洞

日本

1993.11-1994.06

美国

1993.06-1993.11

此外，亚洲、欧洲的多个国家在超级计算机领域的相关研究也取得长足进步。根据 2018年 6 月公布的 TOP500 排名，除美国之外，中国、日本、英国、德国、法国等 5 个国家有 10 个以上排名进入 TOP500 的超级计算机，荷兰、韩国、爱尔兰等紧随其后。其中，中国是顶尖计算机数量最多的国家，有 206 台超级计算机进入 TOP500，占比 41.2%，远远超过占比24.8%的美国。尽管如此，我国在 TOP20 的超级计算机数量上依然与美国有较大差距，前 20名的超级计算机中，有 8 个来自美国，只有 2 个来自中国。

去年，为推动量子精密测量技术早日应用，中科大与中船重工签署协议，双方商定在量子导航、量子探测等方面开展深度合作，推动产学研用合作早日取得新成果，共同开创量子信息技术应用的崭新空间。值得指出的是，研制这台量子相机的，是一群80后年轻人，为了追逐自己的梦想，他们转战于城市、郊区、高原、大湖边，在极为艰苦的条件下，进行了大量晴朗、夜间、云雾、雨雾等典型气象条件下的室外遥感成像实验，取得了各种气象环境条件下的第一手数据，验证了世界上第一个能在自然条件下应用的量子相机。其中，中科大不仅研制了“悟空”的核心分系统bgo量能器，更主导研制了“墨子号”量子科学实验卫星。

计算机处理集群里的每台计算机的计算cpu不同而配置不同的并行任务处理数量，也可以根据cpu使用率动态管理计算单元并行处理数量。集群渲染平台（render farm）是利用集群计算机的优势，通过网络分发软件和并行3d 渲染软件，充分利用集群网络中的计算机硬件资源，将复杂的3d 场景通过大量的计算，生成预览图像或最终图像，以供效果调整审定或后期制作合成之用。 开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器等和编译器等，pdp-8）），vax9000）并行计算机并行计算机并行计算机）器、并行计算机开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言第五代计算机系统主要特征（第五代计算机系统主要特征（intel paragon）&bull。

根据 2018 年 6 月最新的超级计算机 TOP500 排名情况5，本文选取排名前三的超级计算机进行简单介绍。

(1) Summit

Summit，代号“OLCF-4”，是 IBM 为美国能源部旗下橡树岭国家实验室开发建造的超级计算机。机组于 2018 年 6 月 8 日落成，理论运算能力接近 200 Pflops（浮点运算速度每秒 20 亿亿次），超过峰值运算性能 125 Pflops 的神威·太湖之光，2018 年 6 月 25 日正式由TOP500 认证为全球最快的超级计算机。

Summit 一共有 4608 个运算节点，每节点是一台主机，节点内使用 CPU+GPU 异构运算体系，由两颗 POWER9 CPU 以及六块 Tesla V100 运算加速卡组成，CPU 与 GPU 之间的连接采用的是英伟达公司开发的 NVLink 总线，每个节点的 CPU 和 GPU 共用 512GiB 的一致性存储器（GPU 拥有的第二代高带宽存储器，加上 CPU 拥有的多通道 DDR4 存储器），CPU 和 GPU 可相互直接访问这个存储器空间以共用数据，另外还配备了容量高达 800GB的非易失性随机存取存储器（NVRAM）作为突发性缓存或扩展存储器容量之用。

Summit 使用液冷系统，每分钟流量高达 4000 加仑，4608 台主机连同液冷系统的整机组全速运行时的功率就高达一千五百万瓦。仅 GPGPU 部分的双精度浮点数的运算性能就高达 215 Pflops；Tesla V100 内置有用于深度学习运算的 Tensor Core，因此每颗 GPGPU 也能提供约 125 Tflops 的混合精度浮点数性能，而全机组的更高达 3.3 Eflops。

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