史上最强 超级计算机技术史话

Topic: 技术前沿       荐  ★★★★★

作者：Rowan    文章来源：本站原创    点击数：    更新时间：2007-8-25

编者按：这篇文章成文于2006年10月8日，发表在《大众硬件》杂志上。是一篇非常不错的技术解析文章。我在《大硬》写了不少这样的大文章。并且这些文章都非常有深度，非常有新意。以前很多消费者仅仅关心DIY领域，台式机领域。对于真正的高端应用所知就非常有限了。然而对于一本面相大众的科普杂志来说，我写的这些文章都是非常有看点的，可以把读者带到一个完全未知的领域。尤其对于很多青少年来说，让他们树立新的人生观，人生目标，都是非常有益处的。而对于杂志本身来说，这样的文章能极大的提升杂志的品牌素质，品牌号召力。

超级计算机技术史话

你能用一台超级计算机作什么？

超级计算机又称巨型计算机。比普通的个人计算机强大，它的体系设计和运作机制都与我们日常使用的个人计算机有很大区别。现有的超级计算机的性能大都可以达到每秒万亿次以上。为全球的互连网用户提供高效的搜索引擎服务，为天气预报提供复杂的数据汇总和处理任务，模拟各种微观粒子之间的交互作用。这些应用都需要具有超强计算能力的计算机来胜任。今天笔者就给大家介绍一些关于超级计算机方面的前沿技术。

如图，美国太空宇航局的超级计算机

超级计算机在许多人的脑海中是一台具有极为强大计算能力的机器，它有着庞大的硬件系统，要占据好几个大屋子，价格也同它的计算能力一样惊人。以上这些对超级计算机的描述是正确的，但不完全。超级计算机并不是处理所有数据都那么厉害，比如在3D游戏方面，很多超级计算机的处理能力甚至还不如你家的高端游戏电脑。

无论实际与想象有多大差异，历史是不能改变的。1976年，世界上第一台超级计算机诞生在美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）。这台超级机器研发代号为Cray-1。这台计算机的性能虽然还不如现在的一台掌上电脑，但是在当时它的运算能力却是十分惊人。因此它在当时绝对称得上是一台超级计算机。

历史！寻找超级计算机之父

Orion是美国一家知名计算机公司，它专门制造高性能的桌面工作站。公司的技术领袖名叫John Casu，在他的率领下研发出了一台ILLIAC IV电脑，这是有史以来最为接近超级计算机的电脑。它从上世纪60年代开始研发，直到70年代中期才投入量产。

但是早在上世纪50年代LANL就开始研发更为高级的网络技术，并且在美国的洛斯阿拉莫斯创建了高级的科技实验室。这使得他们在技术方面走在其他公司的前面。在整个LANL实验室中，有一位华裔科学家名叫Wu Feng，在他的带领下LANL首次提出了数学分析器数值积分器和计算机（MANIAC）的概念。同时也制造出了第一台MANIAC计算机。这为今后的超级计算机发展奠定了理论基础。

如图，被誉为当代计算机之父的Wu Feng

在20世纪50年代出现了一位名叫Ed Turkel的科学家，他是HP的高性能计算机产品主管，专门带领一支技术团队研发和制造高端计算机产品。他们使用5200个真空管制造出了一台通用自动计算机（UNVAC）。众多真空管组合在一起体积相当庞大，它足以称之为一台超级计算机。当然，如果简单的从体积方面界定的话，ILLIAC IV和MANIAC都可以算是超级计算机。

上述三位似乎都可以称作是超级计算机之父，在他们闪耀的那个年代制造出的机器都成为了当时性能最为强大的电脑。这里还要补充一句，Ed Turkel制造的这台UNVAC通用计算机成为了全美第一台商业化的计算机，此后它被应用于许多科学和技术研究项目中。

超级处理器

一说到超级计算机，很多人都认为在它的内部肯定有一颗超级处理器。我并没有找到关于“超级处理器”这个词的确切定义，随着科技的进步也不会有哪款处理器能始终被人们称之为超级处理器，但是人们似乎仍然喜欢用这个词来形容性能强大的CPU。以下是几位计算机科学家对超级处理器的解释。

所谓超级处理器，其性能肯定要远远超越目前的主流处理器产品。你也可以在很多计算机厂商的广告语中见到这个词。若从超级处理器的市场占有率来看，这种产品将永远看不到未来。可是随着科技的进步和生产工艺的提高，这些超级处理器终有一日会成为主流产品。
——Wu Feng，美国LANL实验室专家，高性能网络部门主管

在一些名人访谈中，我经常能看到他们用这个词。在Google中你可以搜索到关于它的很多信息。大多数是说：在一颗处理芯片上可以作许多并行处理的工作。这种概念只能适用于性能较若的微机中。在超级计算机领域，我们更关心处理器的计算能力，而不是在一个时钟周期内能作多少次数据操作。在超级计算机中处理器并非只有一个，而是很多处理器会协同工作。
——Dave Parry，美国SGI公司高级副总，服务器和台式机业务总经理

首先我敢肯定，通常人们所谈论的超级处理器都是一颗台式机的处理器。在过去通常指的是向量处理器。而现在的超级处理器可能混合了向量处理器与标量处理器的特点。但无论如何提高并行处理能力都是今后处理器发展的大趋势。
——Chris Hipp，Orion公司高级应用副总

超级处理器就意味着巨大的性能跳跃。计算机科学的发展也不仅仅会按照莫尔定律的道路前进。例如，等到量子计算机技术成熟的时候，处理器的性能将会有更大的跳跃。而未来的光学计算技术也不仅仅永远是个美丽的科学神话。新的突破性技术必然会诞生出超级处理器。
——Tom Jones，Orion公司销售工程师

处理器架构的派系

在早期的超级计算机中的处理器大多数都是标量处理器，他们一次只可以处理一组数据运算。例如进行两组数之间的加法运算，每个组中有10个数。标量处理器必须要先得到每个组中的第一个数值，经过加法运算后发送出结果，然后再进行第二对数的加法运算，依此类推。

在上世纪80年代中期的Cray-1和其他超级计算机，大多数都使用的是向量处理器。虽然这样说有点夸张，但是这些超级计算机已经可以运行高级指令。在矢量处理器中，数据被规划成一个数组。对两个数组求和，只运算一次就可瞬间得出结果，而不必像标量处理器那样将数据逐一进行计算。

这样的处理器特别适合处理庞大而连续的数据。例如在预测天气时，就要处理很多繁杂的数据。科学家也可以用超级计算机的这一运算特性去模拟核子爆炸的效果，或者模拟运算新型飞机的风洞效果。另外这种技术也可以非常完美的应用在视频影像的处理任务中，以前索尼的PlayStation 2家用游戏机也支持这种非常先进的向量处理器。许多大型游戏系统中的处理器主频并不是很高，只要支持向量处理机制就可以高效的完成繁杂的计算任务。

目前世界上仍然有4台基于向量处理器的超级计算机在服役。其中最有名的是日本的“地球模拟器”，它用来模拟全球的气候情况，可以预测海洋和陆地的气候变化，它可以有效的指导全球农民的播种收割的农期。

如图，绰号名为地球模拟器的超级计算机。它是由日本出资，委托NEC公司所生产的SC-6系统。

不过向量处理器也有它自身的一切缺憾，这样的超级计算机造价非常昂贵。并且用途比较单一，“地球模拟器”需要专门的设计，它不具有通用性，不能应用于其他行业领域。

因此目前的趋势是使用标量处理器，它与普通的桌面系统非常类似。你可以简单的使用多个桌面台式电脑来组建一台超级计算机。世界上非常知名的COTS系统就是基于这种架构。用户可以根据自己的实际需要来制定系统处理单元的个数。然后使用数据线将所有的分布处理单元都连接起来组成一个强大的整体。

超级计算机的架构：SMP和MPP

大约从1983年开始，大公司对于超级计算机的垄断地位被打破。许多公司都开始研发自己的向量处理器。而另一些公司则选择了COST处理器构建庞大的系统。这需要冒很大的风险，市场竞争是非常残酷的，最后只有极少数公司能幸存下来。在此后的90年代期间，许多超级计算机的体系架构都消失了。但是两个最初的超级计算机架构却奇迹般的活了下来。他们就是SMP对称多路处理架构和MPP大规模并行处理架构。

对于这两种超级计算机体系架构的定义要取决于是谁在说。例如，有些学者会说SMP系统都是使用向量处理器，而反对派则会否认。随着时间的向后推移，这些学派之间的冲突和斗争越来越激烈。计算机科学始终在高速发展着，陈旧的定义会被慢慢摒弃，人们会用更好的方式将他们规类。在有些地方，你会发现超级计算机（supercomputer）这个术语已经被替换成高性能计算机（high-performance computer）。

在本篇文章中，会使用一种比较普遍的方法来定义两种体系架构之间的区别。在SMP架构中，使用单一的操作系统来引导多个处理器，所有的处理器会共享内存和数据总线。这种设计可以让系统更为简便的对处理器进行调度，平衡所有处理器的工作量。但是内存的访问路径非常狭窄，这有可能成为系统潜在的瓶颈。

如图，SMP架构使用公共系统总线，这有可能成为系统瓶颈。

在MPP架构中，每个处理器都有自己的内存区域和操作系统，并且处理器与处理器之间也是互连的，他们可以交互信息。例如IBM Blue Gene /L就是世界上应用最为广泛的MPP架构计算机。这种架构对于处理器之间的数据传输链路要求较高，既要求有很高的数据吞吐量，又要求数据传输链路稳定可靠，由此才能确保每一颗处理器都能及时得到他们所需的数据。

如图，IBM Blue Gene /L超级计算机

以气象预测用的超级计算机为例，所有的数据可以被分解为许多独立的计算任务，每一项判定都要参考许多发生在大气层中的细节。通过这些细节的复杂关联，最终得到一个预测的结果。在每个计算的步骤中，每个处理器都需要知道临近的处理器在之前都计算出了怎样的结果。气象预测的任务量和相关信息的数据量都大的惊人。

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