上海超级计算中心成立十周年特刊
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中国如何应对国际艾级计算的竞争
孙凝晖 中科院计算技术研究所 北京 100190 包云岗 中科院计算技术研究所 北京 100190
1. 国际动向
高性能计算机是国家综合科技实力的集中体 现.随着在科学,工程和社会领域的广泛应用,高 性能计算已经成为理论和实验之外,人类进行科学 探索和工程研究的第三种手段和支柱性的工具.高 性能计算的发展成为科技生产力进步的重要标志之
一,已成为世界大国抢占的战略制高点. 2008年IBM研制成功的RoadRunner(走鹃) 标志着人类进入了PetaScale(10^15)时代.根据 Top500历史数据预测,2019年人类将进入艾级( 10^18,ExaFlops,百万万亿次)计算时代.中国该如 何应对新的一轮国际艾级计算的竞争呢
图1 Top500性能趋势图
我们首先回顾高性能计算机发展历史来寻找一 些启示.从上世纪70年代至今,高性能计算机结构 主要经过了4次变革,分别是以向量机,SIMD为代表 的数据并行系统(Data Parallel System),以MPP, Scalar SMPs,Constellations为代表的定制可扩展系统 (Custom Scalar System),以机群,刀片为代表的 商业化机群系统(Commodity Cluster System),以 BlueGene系列为代表的高能效系统(Power Efficient System).表1显示了上述几种高性能计算机体系机 构的变迁.从表中可以发现一个有趣的现象,即每 一种高性能计算机体系结构从早期出现到成为主流 结构一般经历10年,随后再经过10年逐渐被淘汰. 以MPP为例,1976年ILLIAC IV第一次将多个处理器 互联实现并行计算(Parallel Processing);80年代开 始逐渐涌现出一些MPP高性能计算机,包括Goodyear MPP,CM等;进入90年代MPP替代向量机成为高 性能计算的主流结构,90年代中期MPP在TOP500中 已超过80%;随着机群的兴起,MPP比例又开始逐 渐下降,到2009年11月,在TOP500中只占16%.高
性能计算机体系结构的变迁周期从某种程度上预示 着一个新趋势,性能功耗比更高的高能效计算机将 在2010年代中期替代从90年代兴起的机群系统,成 为高性能计算体系结构的主流,这种趋势将持续到 2020年代中期.因此,以BlueGene,RoadRunner为代 表的高能效计算机在2020年前将是高性能计算机的 主流体系结构,预计在2019年左右出现的艾级超级 计算机很可能也采用这种结构.
表1 高性能计算机体系结构的变迁
近年来,国际上已将研制艾级超级计算机提上 议程.2007年夏季开始,美国国防高级研究计划局 制定了三个有关艾级计算机的前期预研项目,分别
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《高性能计算发展与应用》 2010年第四期 总第三十三期
是:(1)调查在2015年造出艾级超级计算机的技术 上的挑战;(2)调查艾级超级计算机的可靠性; (3)调查艾级超级计算机的软件上的挑战.但他们 研究的结论较悲观:根据正常的计算机发展速度和 趋势,在2015造出艾级超级计算机系统很大程度上 是一个梦想,甚至在2018造出来也有相当大的难度. 2008年2月,美国能源部和原子能安全局正 式启动了一个艾级超级计算机项目,联合成立 了"高级体系结构研究所(Institute for Advanced Architecture)",目标在2018年造出一台艾级超级计 算机,应用到气象,原子弹爆炸模拟等领域. 2008年11月,美国国家实验室,学术界,和工 业界在SC'08举行了一个"Power Efficiency and the Path to Exascale Computing"座谈会,讨论如何去克服或减 少发展艾级超级计算机路上的路障,主流专家同意 高性能计算用正常地发展到艾级超级计算机将遇到 严重的挑战. 2009年4月,美国能源部和美国自然科学基金 会成立了"International Exascale Software Project" 工 作组,使命是解决百万万亿次级软件开发和应用将 会遇到的难题.该工作组由美国,日本,法国,英 国,西班牙,芬兰,德国,和意大利的专家组成. 2009年6月,IBM与欧洲工业发展署合作启动百 万万亿次计算机的研究工作,目的是为石油,世界 范围的流行病模拟,气象和实时金融服务等领域设 计艾级超级计算机. 2009年9月,美国国防高级研究计划局启动一个 8年的科研项目——UHPC(Ubiquitous High Performance Computing:无所不在的高性能计算). 这个项目除了要重点研究艾级超级计算机以外,还 要求研究千万亿次单机柜机和万亿次嵌入式机.该 项目的背景和军事有一定的关系,其目标是保障未 来战争指挥中心要有百万万亿次计算能力,战车, 战舰和战斗机上要有千万亿次计算能力,战士和机 器人士兵随身携带的设备需要有万亿次计算能力. IBM也提出了基于BlueGene技术的艾级超级计算 机研制路线图.根据IBM的路线图,2019年将研制 出峰值性能达到1.127EFlops的超级计算机,该系统 预计将拥有大约两千五百万个处理器核,总功耗为 40MW. 高性能计算领域已经将艾级计算视为未来十年 的研究重点,专家普遍认为按照正常的速度发展到 艾级超级计算机将遇到严重的挑战.

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