云时代超级计算机的兴衰

超级计算机是任何一种机制，无论是通过设计还是通过默认设置，其性能都可以使其在市场上的功能和信息（无论是否有效）中竞争. 纵观整个历史，曾经有几次将备用处理器和自制基板拼凑在一起以生产超级计算机. 而且由于他们超强壮，所以他们有资格.

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如今，超级计算性能不可能偶然获得. 它必须经过精心设计和有意设计，并且对公司和国际政治应具有一定的容忍度.

（照片: ORNL Carlos Jones（由Carlos Jones摄影），并得到知识共享组织的许可）

要成为当今市场上的超级计算机，除了将现成的部件放在一起，还需要做其他事情. 现代系统设计用于单一目的: 并行处理. 这与多任务处理不同. 在多任务处理中，调度机制使用一些并发来处理多个应用程序.

为个人计算机和数据中心服务器设计的普通多核处理器甚至可以集成到最快的超级计算机中. 实际上，在世纪之交，当时大多数合格的超级计算机机器都是由商用（COTS）组件组成的. 但是近年来，许多因素（一些相关的，一些偶然的）被混合在一起以重新激发特殊构造的超级计算机体系结构:

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多年来，许争辩说，摩尔定律与超级计算性能无关，因为它处理的是处理器中晶体管的数量，而不是超级计算机中petaflop的数量. 但是，正如您稍后将看到的那样，多年来负责超级计算机开发的资助者已经做出了真正的努力，将超级公式（著名的公式（每18个月使商用处理器中的晶体管数量增加一倍））与超级计算机加倍. 专用于出口法规.

更重要的是，科学家和工程师积极参与了下一代最高性能机器的体系结构，其中包括所谓的“神经形态”系统和量子计算机，并宣布自己生活在“后摩尔时代”在过去的三年中. 超级计算”（PMES），并举行年度会议以帮助推动这一过程.

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超级计算是计算机行业的世界上第一个现代后代. 尽管超级计算机通常是展会的明星，但超级计算机是他们在任何公开讨论或类似文章中所做的工作，并构成了行业的轴心. PC一直是企业. 超级计算是一项工作.

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的应用策略和计算物理学家伯特·斯蒂尔在几年前的一次会议上说: “我们比较现在要解决的问题是一个更好的问题. ”事情会随着时间变化并继续发展，这就要求我们比现在拥有更好和更高的保真度. 模型，这意味着我们需要更多的计算能力来计算这些模型.

仍然确定要完成的工作是根据数据和模型进行外推法提取. 超级计算机作业是一种情况的模型，通常是实际情况，它以猛烈的速度获取数据. 从事超级计算是要相信算法的强大功能，这些功能可以从过程逻辑的重复实现中提取有价值的有意义的信息. 超级计算的基础是两个理想: 一个声称当今的机器将最终提供一种新的，非常有价值的解决方案，然后是第二个更微妙的概念，即今天的机器将成为明天的原型.

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仍然指出，最后重要的是人们试图推断的内容. 他说，您可以查看今天的天气，但不能推断三个月后的天气报告. 但是，您可以看一看福岛核灾难，并且可以合理地估计此事件中的云何时到达美国西海岸.

Steel表示: “您可以确定地解决一些问题，而有些问题我们确实不知道如何解决. 因此，我们有很多大问题需要解决，我们需要同时使用这两种模型. 当今范围内的计算能力. 这的确是激发我们对数十亿美元感兴趣的动力. ”

Exascale不是商标，超级计算机供应商或软件程序. 更简单地说，这是一个目标. 坦白地说，这是任意的. 就是这样: 每秒500亿次操作. 这是数学上的月球射击. 2011年，奥巴马总统指示联邦能源部2012财年预算拨款1.12亿美元用于专门用于数百亿次计算的政策支持项目. 2018财年的拨款约为2.327亿美元.

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即使您使用超级计算机，也可能无法证明纳税人的资金与超级计算机性能之间存在直接关系. 但是性能有所提高，美国重新夺回了比赛的领先地位. 在2011年底，性能最高的美国超级计算机在全球500强中排名第3: 由美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）操作的Cray XT5每秒约有1.759万亿浮点运算（1.76千万亿拍）. 富士通生产的日本机器位居第一，为10.51 petaflops. #2的中文机器为2.57.

截至2018年11月，世界排名第一的超级计算机是Oak Ridge国家实验室的“峰会”（照片提供: Creative Commons / photograph，ORNL，Carlos Jones）

2018年11月，IBM为Oak Ridge制造的名为Summit的计算机发布了143.5 petaflops的分数，而Livermore Labs的另一种IBM模型发布了94.6. 一台中国机器仅以93 petaflops排名第三.

但是它仍然没有达到目标: 每秒Exaflop或1018次操作. 这就是数百亿美元的实际含义. 美国能源部（DoE）计划在2018年实现由纳税人资助的数十亿美元的项目.

2010年“要在2018年之前实现这些容量的增长”（美国能源部发布的PDF描述），“需要大大加快硬件和软件开发. 这可以通过增强协作设计工作来实现，其中系统体系结构，完整软件设计师的应用程序，应用数学家和计算机科学家可以交互地进行工作，以表征和创建计算科学发现的环境，从而充分利用这些重要的进步. 计算能力. “

合作设计工作确实正在进行中. 但近年来，它已被后摩尔时代的特遣队占领. 他们共同致力于量子计算的发展-一种基于物理功能异常行为的理论技术. 一旦出现，它将使当今的超级计算机在10,000秒内淘汰.

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多年来，并行性一直与多任务混淆. 您的PC和智能手机一直在努力执行多个应用程序. 超级计算机旨在以最古老（并且被许认为是最好的）计算机程序（算法）的形式呈现结果. （此名称是为了纪念9世纪印度数学家Abu Ja’far Mohammed ibn Musaal-Khwarizmi，他引入了使用阿拉伯数字和小数点表示分数的方法. ）

它能够运行将计算机与计算器区分开的算法，从而解决公式和算术问题. 算法是一种逻辑过程，旨在通过给定的任何形式的合理输入，通过相同的处理步骤序列，为情况提供解决方案. 换句话说，按此顺序执行这些操作，无论您提供什么输入，输出都是您想要的. 该算法具有以下特点:

第一台电子计算机本质上是为解决算法而定制的变速箱. 在1950年代，对于他们的制造商来说，很明显，他们需要一个单独的程序-一个“操作系统”或“控制程序”，以区分用户想要完成的工作和机器的基本功能. 当被问及操作系统和算法之间的区别时，工程师以这种方式进行了解释: 该算法旨在停止运行. 操作系统旨在永不停止.

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由于算法在设计上是模块化的，因此非常适合并行处理. 很容易确定可以从主线程中分叉哪些模块，进行复制（可能数千次复制）并并行执行，所有这些都不会在达到解决方案时破坏算法终止的主要条件. 实际上，使用超级计算算法，程序员可以显式表达这些模块化边界，从而减轻了处理器的负担.

结果超级计算机，一旦将所有计算机程序编译为目标代码以供处理器执行，它们将利用以下任何功能:

在前500名名单中，曼海姆大学保持独立并宣布半年刊，这实际上是关于高性能市场空间超级计算机的地理报告，其中，超级计算机将自身和拥有者以及组件制造商划分为相同的程度声称具有功能优势，并且像任何市场一样，具有最大的竞争价值.

超级计算机赢得此名单的竞争是基于称为Linpack的综合基准. 多年来，一直有人争论说Linpack不能代表这样的机器如何执行实际任务. 当然，如果给超级计算机提供了真实的，真实世界的任务（例如模拟或预测），然后对其性能进行了评估，则原因是真实世界的任务是如此微妙，以至于无法绘制真实和客观的任务结论.

Linpack以每秒数百万个浮点指令的形式显示结果（兆触发或MFLOP / s），其中浮点指的是一种表示内存中小值的方法，类似于普通算术科学计数法. 近年来，“ Top 500”将结果乘以1000，因此它更适合于并行. 因此，尽管列表中的领导者现在已经获得了超过1,000 teraflop的得分，并进入了每秒千万亿次运算的petaflop（PFLOP / s）区域，但它现在以petaflops（TFLOP / s）的速率呈现值.

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截至2018年11月，最快的超级计算机（其测试结果已由曼海姆大学确认）是Oak Ridge的“峰会”. 结合IBM POWER9 CPU和Nvidia Volta GV100 GPU，Summit的确认性能得分为143.5 PFLOP / s. 为了让您大致了解超级计算机的发展速度，就在十年前，我报道了DOE超级计算机打破了1 petaflop的标记.

但是在您意识到超级计算机市场是由大约500个系统驱动以排名第一的想法之前，请考虑以下几点: 2016年冠军-中国双威TaihuLight的最佳成绩，刚刚超过93 PFLOP / s-目前领导者表现的65％，尽管今天仍然排名第三. 从排名第20位到排名底部，每个竞争对手的得分都低于10 petaflops. 从431开始，得分低于1 petaflop.

1955年4月，IBM失去了为美国原子能委员会利弗莫尔实验室（Livermore Laboratory）制造计算机的重大投标，该项目的投标人是·兰德（Remington Rand）的UNIVAC部门. UNIVAC已承诺将处理能力提高到政府出价的五倍，因此IBM决定在下次有机会时玩这款游戏.

当洛斯阿拉莫斯科学实验室下次发出竞标请求时，IBM承诺夸耀的系统将以当前速度的100倍运行，并准备在本世纪末交付. 这是“传统计算机”与超级计算机之间的绝对分歧: IBM致力于生产全新的计算机系统，这是它第一次完全晶体管化. 它一直在争夺最快，最强大的机器，但直到第一次分裂，市场才开始成熟. 在这种情况下，原子物理研究代表的客户群与公司会计不同，并且需要另一种机器.

Stephen W. Dunwell是Stretch的首席工程师兼项目经理. 在1989年对明尼苏达州查尔斯·巴贝奇研究所（University PDF）的口述历史采访中，他回想起召集他参加过的总参谋部会议，以及传奇的IBM工程师Gene Amdall等. 在那里，工程师及其经理们共同意识到，如果IBM要恢复与Sperry Rand等竞争对手的竞争优势，那就需要普通计算机以外的其他计算机.

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邓·威尔回忆道: “我们聚在一起，真正地从头开始，然后说: '在硬件，系统设计以及所有这些方面可以做什么？”我们的信念是，实际上，我们可以组装一台既可以用于科学目的又可以用于商业目的的机器-我们可以将两者融合在一起，可以将两者融合在一起，并且可以制造出比任何现有的机器，这将是非常可取的. “

C. 戈登·贝尔（G.donor Bell）是一位杰出的工程师，他为DEC开发了VAX系列，后来回想起[PDF]，他的同伴早在1957年就开始使用“超级计算机”一词. 7030项目正在进行中.

许说IBM 7030“ Stretch”是第一台超级计算机. 图片: 知识共享）

以前的IBM 701设计与新的IBM 7030之间的体系结构差异很大（左图），工程师将其称为“ Stretch”新系统. 它介绍了指令“高级”和索引寄存器的概念，它们是现代x86处理器设计的主要组成部分. 尽管Stretch在内部使用64位“字”，但磁盘上的第一个随机存取存储机制用于将这些字分解为8位字母数字段，这些段被工程师称为“字节”.

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