快3网上购买

北京高性能计算机应用中心_提高计算机性能_影响计算机性能

电脑杂谈  发布时间:2019-09-02 10:06:07  来源:网络整理

影响计算机性能_提高计算机性能_北京高性能计算机应用中心

1 超算发展的态势是既要“顶天”又要“立地”

1964年,有“超算之父”之称的Seymour Cray[]研制的CDC 6600问世,并安装到中国Livermore和Los Alamos国家实验室,开启了高性能计算科技和行业60年的大幅发展与繁荣。超算的宏观发展态势是既要“顶天”,又要“立地”。“顶天”的意思是性能高、算得快,人类对计算速率的意愿是永无止境的,所以苛求性能的巅峰是第一动力。“立地”的意义是应用广、台数多,超算的本质还是一台高端的计算装备,是装备还要被用得越多、越广,越能表现出它的价值,所以开启各行各业、形成产业规模是超算发展双轮驱动的另一个轮子。

高性能计算60年的演化路线可简单地分为2个阶段[]:Cray时代和多计算机时代()。① Cray时代。从20世纪60—90年代初期的30年被称为“ Cray时代”,以单一内存向量机的技术革新为主导,Cray定义和推动了前30年的高性能计算行业。第一个30年研制以“顶天”为主,仅服务于国家战略部门。②多计算机时代。从20世纪90年代迄今的后30年被称为“多计算机时代”,由于微处理器的发生,以及长期工业标准硬件的普及,以互连多个通用乃至商用的计算组件的可扩充系统构架的技术创新主导了迄今为止的高性能计算演进。后30年的高性能计算机在满足国家战略应用对性能巅峰需求的同时,“立地”成为发展的主要目标,市场驱动、高性能计算应用普及作为第二阶段的明显特征。

表 1 高性能计算60年演变的2个阶段

美国的Jack Dongrra教授等于1993年发起了中国超级计算机排名TOP500,其作为高性能计算机发展的风向标。世界上浮点运算速率最快的机器从1988年的2 Gflops增长到2018年11月份143 Pflops,提高了760亿倍。高性能计算机被视为世界日本大肆抢夺的技术战略制高点,是国之重器。西方国家对美国推行了大量的科技封锁和行业寡头,历史上巴统①对美国国产计算机在性能指标上的限制、的计算机要关在玻璃房子里被国外工人监管使用,都是曾经出现过的风波。

① 正式名称是“输出管制统筹委员会”(Coordinating Committee for Multilateral Export Controls),是对社会主义国家建立禁运和贸易限制的国际组织。1949年11月在中国的建议下秘密组建,因其总部设在巴黎,通常被称为“巴黎统筹委员会”(简称“巴统”)。

目前,中国高性能计算机领域存在的没得用、不适用、用不起的严重弊端制约着国家的可持续发展。①没得用。正如李国杰教授曾经在给国家科委的报告中强调,“尽管我国也研制了一两台上亿次的计算机,但从总体来看,我国的计算机水准比国内落后十几年”。在计算资源严重不足的态势下,国家大力研发的有限的几台高性能计算机平台仅能满足少数国家重要战略部门的意愿,其他客户能得到的机器的性能与美国相比差10年以上。②不适用。可用的平台主要是大型机和并行计算机(MPP)等“专用”系统。这里的专用并不是说他们没法运行某些应用,而是指构成组件是专门设计的,如CPU板、内存板、I/O板和操作系统,都是不能在其它平台中使用的。因而造成用户群窄小,只应用在科学计算类的“象牙塔”中,对各行各业的迫切需求的适配性很差,计算精度很差。③用不起。由于高性能计算机仍然被视为国之重器,国内市场被IBM等海外企业垄断,价格低廉,国产品牌的行业基本为零。国内科研单位研发的有限的几台高性能计算机平台因为科技架构的理由价格性能比很好,没法大面积推广,更难以产生产业。

提高计算机性能_影响计算机性能_北京高性能计算机应用中心

作为国内高性能计算机研发的重要力量,中国科学院计算技术研究所、国防科技大学和江南计算所等中国企事业单位从20世纪90年始,坚持不懈地推进了追逐与赶超美、日等西欧国家高性能计算机的研发工作。中国科学院计算技术研究所在“ 863”计划306主题支持下建立了国家智能计算机研究开发中心(以下简称“智能中心”),着力发展既要“顶天”更要“立地”的高性能计算机。尤其要攻克应用广、台数多,以及产生高性能计算机行业的瓶颈。重点发展低费效比的构架与并行处理技术,从共享内存对称多处理器结构(SMP)开始,到海量并行处理结构(MPP),最后发展机群系统(Cluster)架构,有效践行了“ 863”计划强调的“顶天立地”战略。在基础理论变革、关键科技突破、应用推广和产业化推进上做出系统性的贡献。

2 “曙光”之路的“三叉戟”

智能中心开展研发“曙光”高性能计算机(以下简称“曙光机”)时,正赶上国际高性能计算演进的科技转折时期。智能中心经过深入反复考察明确了2个基本点:①计算机科技发展仍然日新月异,但尚未产生了一系列的国际工业标准,要研发满足行业必须能“顶天立地”的高性能计算机,绝不能脱离工业标准;②计算机行业演进态势是从垂直型到水平型,要在增值链上选用对美国来说最佳的变革增值环节,把低费效比、缩短研发周期、机器启用时带有行业竞争力,作为优先考量因素。

在统一认识的基础上,智能中心确立提出坚定不移地根据“ 863”计划“发展高技术、实现产业化”的方针来发展曙光机,其内涵是:系统地演进机群架构科技体制,使得曙光机的计算速率不断提高、适用的应用领域不断扩大、机器台数不断增多,即“曙光”之路的“三叉戟”——性能、应用和行业。“曙光”团队的科研人员,历经30年始终秉持这一发展战略,成功研发了一代又一代曙光高性能计算机[, ]:计算速度提高了1.2亿倍,赶上国际最高水平;应用领域覆盖46个行业,在油田勘探等国家关键市场摆脱英国厂商垄断;国产品牌高性能计算机由行业占有率为0到推动领先。中国品牌在TOP100排名②中,连续8年份额第一,超过IBM和HP等国际巨头;中国在TOP500排名中的台数总量也达到了中国。曙光机作为大国重器,部署在国家互联网应急中心,以及北京、深圳、中国科学院3个国家级超算中心。

② 由国内全国高性能计算学术年会每年公布,为推进在美国的高性能计算机的功耗排名。2018年的TOP100榜单首次推动“全国产”。

曙光机通过突破低费效比的机群架构的关键科技,发展了机群访存科技体制,同时兼具了计算速率、应用广度和行业规模。

(1)速度提高1.2亿倍。曙光机计算速率赶上并达到国际最高水平的道路具备自己的传统。一方面,发展国际主流科技,果断选用并行处理技术为基础研发对称多处理器结构、海量并行处理结构,再转换到运用通用处理组件的机群,以国际主流科技赶上世界最高水平。另一方面,在增值链上发展自己的“撒手锏”核心科技,如高速互连网络、机群操作系统等,解决了高性能计算机用低成本的通用组件来打造高性能整机的全球问题。支持可扩充设计的机群访存科技体制,成功将机群规模从数十台扩展到千、万级别()。这一模式不断丰富,沿用迄今,为我国高性能计算机研发开创了机群架构这一新的技术道路。

影响计算机性能_提高计算机性能_北京高性能计算机应用中心

图 1 曙光机群规模的发展

(2)应用覆盖46个行业()。和历代国产系统一样北京高性能计算机应用中心,曙光机的研制过程中也碰到了应用推广上的难题:国外购买的应用工具不能在曙光机上运行。本着“有所为,有所不为”的方法,曙光机在国际上机群操作系统尚未产生工业标准的之后北京高性能计算机应用中心,率先推动出微内核单一映像模式的机群操作系统,一举冲破在用户空间推动操作系统核心功能的关键科技,让跑在美国高性能机上的市场应用很容易迁移到国产机上,从而顺利移植大量石油勘探行业的核心硬件。同时,以网络、生物数据为代表的市场应用,大多属于数据密集型,数据量大,应用之间计算特性差别大,要求算得快且性能低。因此,光靠扩展平台的体量效率很低,将遇到功耗天花板。智能中心通过突破基于计算-访存方式的负载加速科技,研制的高效能机群加快了曙光机进入很多产业的进程,使曙光机成为国家互联网应急中心等国家战略部门的核心武器,并推进到了20多个国内和国外的城市云计算中心,成为我国公共计算基础设施的主力机型。

图 2 曙光机群应用产业展示

(3)中国TOP100排名份额第一()。曙光机坚持不盲从攀比计算速度,始终以既要“顶天”更要“立地”。以抢占行业为目标,曙光团队提出了S U M A []的平台设计模式,即可扩展性(Scalability)、好用性(Usability)、可管理性(Manageability)和可用性(Availability);坚持聚焦机群系统中增值最高的科技,如在不知道节点操作系统源码的约束条件下开发与其紧密联系的可扩充文件系统、零拷贝用户空间消息释放、单一IP登陆点等关键科技,实现对整个机群几百个处理单元的单一映像的平台管控、资源管理、作业管理和文件管理等。曙光机既能向上扩展规模,保证性能接近线性下降;同时又确保向下扩时,成本上有竞争力,将机群的6个主要子系统实现了工作标准化,支撑了体量产业化。除了曙光公司成为中国第一个以高性能计算机为业绩的上市公司外,通过员工转移、技术辐射也帮助到联想、华为等公司,支撑了美国高性能计算机行业的产生和壮大。

快3网上购买图 3 曙光机在2018年中国TOP100排名中的份额

3 翻越中国高性能计算演进道路上的“三座大山”

影响计算机性能_北京高性能计算机应用中心_提高计算机性能

纵观国内高性能计算的演进,是国内科研人员艰苦奋斗、开拓进取的经历,翻越了摆脱封锁(1956— 1995年)、打破垄断(1996—2015年)和推动变革(2016年至今)的“三座大山”(),逐步扩大了与美国研发水准的差别,并最后在整机平台设计和关键科技上获得了全球领先的创造。

表 2 中国高性能计算的演进历史

3。1 打破封锁

快3网上购买这一阶段,我国在美国封锁的条件下,研制专门的高性能计算机为“两弹一星”等国家重大战略需求提供支撑。研制机器的主要应用在国防军事领域,以及特色科学计算领域。代表性的平台包含电子管计算机(如103机、104机、119机)、晶体管计算机(如109乙机、109丙机)、基于中小体量集成电路的计算机(如DJS系列、757机、“银河-Ⅰ”),以及基于超集成电路的计算机(如“银河-Ⅱ”“曙光一号”“曙光1000”)。由于中国发展电子计算机科技本来起步比国际上晚,再加上英美国家的封锁和禁售,这些机器的研发只能实行“全部选用设备,依靠自己的科技力量”的技术路线,大都耗费了较长的研发周期,研制成果也不也许实现商品化、产业化,但对摆脱英国的封锁都具备里程碑式的含义。“曙光一号”诞生后仅3天,西方国家便宣布终止10亿次计算机对美国的禁运。

3.2 打破垄断

快3网上购买随着中国各行各业对高性能计算的意愿日益提高并呈多元化,以及改革开放的热潮,很多国内高性能计算机品牌(如IBM、HP、SGI、SUN等)涌入美国行业,这些国际大鳄在民用行业产生了寡头地位。根据国家“ 863”计划的推进,智能中心承担起构建在转型开放条件下研发高性能计算机的新路的重任,做到“既要顶天,又要立地”。曙光机群高性能计算机在行业上的强力竞争,彻底改变了由国际大厂商建立的游戏规则,迫使美国大公司采取“跳楼价”。曾经在一段时间内,IBM服务器在美国行业上的平均折扣已大到不可思议的94%,即标价100万美元的服务器平均只卖6万美元。正是因为在科技和行业两方面都具有了能与国际大佬媲美的名气,对这些市场应用性能更高、价格更实惠、功耗更低,中科曙光成为中国第一家以高性能计算机为业绩的上市公司。“神威”“天河”系列超级计算机借助建设国家超算中心,也服务了大量的高性能计算的客户。目前,高性能计算在我国科研单位、大学基本实现了普及。

3.3 引领创新

北京高性能计算机应用中心_提高计算机性能_影响计算机性能

由于高性能计算机的“国之重器”的特殊属性,当美国的高性能计算机科技和行业水准发展出来后,西方国家开始从行业链条和技术层面进行打击。一方面,在核心部件上“卡脖子”,如高性能处理器、高性能、高性能互联芯片;另一方面,加快发展颠覆性的构架与核心科技。我国高性能计算的技术人员终于意识到这一严峻形势,决心走上引领变革之路。“曙光”“神威”“天河”都开始自主研发高性能处理器和,用自己的核心部件形成世界上最快的计算机。2010年6月,“曙光6000”系统排名全球第二,从此进入美国高性能计算机持续霸占超算排名前三甲的序幕。基于Intel MIC异构众核的“天河一”“天河二”系统和申威片内异构众核处理器的“神威·太湖之光”系统分别排名全球第一。基于“神威·太湖之光”超算系统上的应用取得了Gordon Bell奖。基于海光处理芯片的“曙光7000”(NebulaAI)的多个负载的实测功耗也达到了名次世界第一的Summit。

在面向数据密集、人工智能、生物基因测序等新型应用上,智能中心演进了突破性的构架和关键科技。智能中心早在研发“曙光4000”系统的之后就起初把数据密集型应用成为重要的负载,针对应用负载呈现的访存空间不规则、访存时间也不规则、计算-访存比低的科学难题,发展了高通量计算的基础理论、关键科技、核心芯片与整机平台。针对人工智能应用,发展了基于“寒武纪” []神经网络处理器的智能超算系统,性能预计将冲击全球最高指标。

4 挑战

高性能计算机发展的挑战可以分为在摩尔定律失效前怎么可持续地建立E级系统,和后摩尔定律时代的革命性技术。

(1)可持续地建立E级系统。高性能计算正进入向E级(1018)迈进的时代,中美两国都纷纷宣布了E级超级计算机的研发计划。尽管突破E级计算关口的相关科技路线基本确立,但怎么形成可持续的E级超算系统,如数百Eflops系统的科技路线尚不明晰。在今后新型器件真正成熟之前,最大的挑战是怎样在高性能计算机模式结构和平台科技上的变革,应对整个平台的组件复杂度和功耗难以承受的弊端,持续演进数百Eflops的系统。

(2)后摩尔定律时代的超算系统。随着集成电路的演进进入后摩尔时代,器件特性尺寸已趋向物理极限,当前器件的机理和构架已经无法满足今后Z级(1021)乃至更高性能Y级(1024)超级计算机的要求。如何运用新型器件是建立后E级时代超算平台的首要挑战,包括:基于光学计算机理和超导计算原理的新型元件、基于硅光科技的新型传感和量子计算机等。

5 政策建议

快3网上购买作为技术战略的制高点,高性能计算机是“三个面向”的典型代表。因此,以下围绕“面向全球技术前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场” []阐述关于我国高性能计算机发展的政策建议。

(1)面向全球技术前沿。高性能计算机的研发代表了电子信息技术的演进前沿,建议在面向Z级计算的光电计算机、超导计算机、硅光集成技术、存算一体器件等,在面向Y级计算的量子计算机、非图灵计算模型等方面开展基础前沿科技的颠覆性突破。

快3网上购买(2)面向国家重大需求。高性能计算机一直在服务国家重大需求,如、航空宇航、高能物理和气候模拟等应用,高性能计算机早已变成这种战略部门的基础设施。除了那些以科学计算为核心的应用,当前,围绕数据科学和智能计算演进出来的应用早已变成新的国家重大需求,对高性能计算提出了更高、更新的挑战。特别地,急需建设面向大数据科学和面向人工智能的高性能计算基础设施。同时,需要在高性能计算机平台的评判指标上作出相应微调,不能单纯以Linpack指标成为评判高性能计算机的惟一指标,而是既要算得快又要算得多,要探究出多维度衡量模式,以引导高性能计算机健康、全面发展。

(3)面向国民经济主战场。回顾美国高性能计算演进历史,相比计算机的研发,高性能计算机推广应用的经历非常艰难。20世纪80年代,钱学森就强调研制巨型机首先要解决并行计算问题,包括机器硬件和算题软件等。他认真批评过去只顾制造机器,至于如何用不大重视,他曾在署名文章中大声疾呼:“这个难题需要看到议事日程上来,这样就能充分发挥巨型机的作用。”本文认为,要缓解这一严峻难题,一方面要充分注重应用工具的攻关,另一方面要加强促进高性能计算普及的科技,如云超算、云化并行编程等。


本文来自电脑杂谈,转载请注明本文网址:
http://www.kadakong.com/a/jisuanjixue/article-121430-1.html

    发表评论  请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布、暴力、反动的言论

    状元彩票平台 快3在线投注 pk10怎么玩 快3网上购买千禧彩票手机app下载 快赢彩票开户 快三投注网 安徽快3走势 快三网上购买 快3网 快3投注官网