史上最强 超级计算机技术史话

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

新型主流架构：集群和组

正当很多学者在为SMP和MPP之间的定义大打口水战的时候，上世纪90年代悄然出现了一种全新的架构：集群。从本质上讲集群的概念就是将两台以上电脑，通过软件和网络将他们连接在一起，让他们组合成为一台计算机。

在1993年年底，唐纳德•贝克尔和托马斯•斯特林提出了新颖的Beowulf集群概念。这两个聪明的开发者提出了一种方法，仅仅使用很多标准的计算机就可以组合成一台超级计算机。这种解决方案非常廉价，几台普通的PC要比一台超级计算机便宜很多。最初的一台原型机使用了16个Intel DX4处理器，利用普通的以太网将他们集群在一起。

有兴趣的读者可以访问这个网址：www.beowulf.org，这个Beowulf官方网站详细的讲述了集群的运作方式，并提供了许多集群软件工具下载。你可以让两台计算机共享一个文件系统，或是可以连接1024个节点组成一个高速运算网络。并且这些软件工具都是基于Linux操作系统的，最大的特点就是开源。

更有很多疯狂的程序员研发出了基于Windows操作系统的集群解决方案。这样就可以使用Beowulf的集群协议，建立一个通用超级计算机网络。在国外的许多大学和研究机构由于经费问题无力购买真正的超级计算机用于科学研究，而Beowulf的出现使他们可以利用现有的硬件资源构建性能强大的计算平台成为可能。

由于通过集群这种方法可以构建出性能强大的计算系统，这也使得很多公司推出了基于集群架构的高性能产品。例如Orion公司所生产的DT-12工作站就使用了12个节点，每个节点都是一台相对独立的计算机。他们集成在一个4X24X18英寸的台式机机箱中。每一个节点使用一颗标准的Intel奔腾4处理器，主频速度为1.2GHz。每一个节点带有512MB～1GB内存。所有的节点使用速率为1Gbps的千兆以太网相连，整个系统的浮点运算能力为36千兆字节。从本质上讲，DT-12可以算是一台个人超级计算机，因为它的起价为1万美金。

在某些超大的Beowulf系统中，会将一个相对独立的集群称之为组。判定一个集群或组要取决于群内的节点数量和每个节点中处理器的数量，还要考虑节点间的从属关系。在集群内的每一个节点都可以是具有一颗或更多处理器的独立的计算机。Beowulf的规范中指出，如果集群内每个节点的处理器数量相对较少，基本上都是单处理器系统，那么这就可以称作是一个标准的Beowulf架构，即集群架构。但是在任何节点中的处理器数量多余其他节点，那么这种结构就被称作是一个组。

在Orion所研发的这种Cray XT3架构中，每一个处理单元，或称为节点的独立部分都使用单一的AMD Opterons处理器，并且每个处理器都有属于自己支配的内存。每个节点通过高速系统互连总线交换信息，这条总线的数据传输能力为7.6GBps。在整个系统中有两种节点模块。控制服务节点可以针对应用程序做出优化，将数据包分发给专门负责数据处理的计算节点。而计算节点运行在高效的Linux系统中，可以将处理好的数据结果通过网络和I/O通道返还给服务节点。

如图，Cray XT3可升级架构

从TOP500看世界格局

上面的文章讲述了很多关于超级计算机的知识，但相信你也很想要知道究竟哪一台超级计算机是世界上最快的系统。这些超级计算机都是由何人设计制造的，谁在出售他们，主流型号是什么，哪个有钱的幸运儿买了他们，这些超级计算机性能究竟有多强，买主用他们来干什么，同时你也很想知道我们中国的超级计算机在世界上能排到第几位。

上面种种疑问都可以通过一个叫TOP500的网站中找到答案。（http://www.top500.org）它成立于1993年，是一家专门介绍世界前500位运算速度最快的超级计算机的排名网站。同时你也可以查询到关于世界上最强的前500台超级计算机的相关信息。

如图，世界超级计算机500强网站

网站的排名数据库每一年会更新两次，这个表格包括名字，测试结果和其他信息。所有的测试结果都是使用一款名叫LINPACK的超级计算机评测软件生成的。这款测试软件会非常全面的评价整个超级计算机系统的综合性能。为了公平起见，这个测试软件通过对一个线性方程式的求解来评价超级计算机的运算能力。这虽然不能测试出系统中的每一个细节，但它已经足可以告诉我们谁才是世界上最快的超级计算机。

无论怎样，超级计算机的浮点运算能力都是特别重要的性能指标。LINPACK可以测试计算机每秒的浮点运算能力。对于超级计算机而言通常结果都会大于百万次（mega）、十亿次（giga）、或万亿次（tera）。目前世界上最强的超级计算机浮点运算能力在万亿次的范围。

如图，中国目前最快的超级计算机世界排名第35位。

在TOP500的网站上收集了大量的关于当前超级计算机的各种资讯。由于早在1993年就有了世界超级计算机的排名，从TOP500的数据库记录中我们可以清晰的看到最近13年来计算机的发展趋势。例如，在1993年6月公布的TOP500名单中，最强的超级计算机使用的是SMP架构，内部集成了97个处理器。而今天世界上最强的超级计算机集成了131072颗处理器。

目前集群和组两大架构以压倒性的实力成为了目前超级计算机的主流架构。从1997年6月第一台集群架构的超级计算机上榜以来，目前世界500强中有304个席位都是由集群和组架构占据着，或者说他们占据了世界500强76％的席位。而剩下的117个席位全部由MPP架构占据着。

纵观这13年来超级计算机的发展史，我们会惊奇的发现，超级计算机的处理能力在以一种爆炸般的速度发展着。在1993年6月当时世界上最强大的计算机浮点运算能力为59.7giga。到了2005年6月，世界上最强的超级计算机的运算能力达到了136,8tera，这个数字几乎是1993年的2300倍。

在世界500强名单中，最后一名的运算能力也有着大幅增长。1993年，名单最后一名的运算能力为0.42giga。而到了2005年，名单最后一名的运算能力已经达到了1.116tera。在2005年世界500强名单中所有超级计算机都迈进了每秒万亿次运算的大关。

最后再让我们回过头来看看当今的主流台式计算机。普通的奔腾4处理器运行LINPACK测试软件，其运算能力约在1giga以上，而主频在3GHz以上的奔腾4处理器大约能上到4.5giga。从中我们不难理解，即使是目前最强的桌面台式机距离1993年最强的超级计算机仍然有不小的差距。

超级计算机个人化发展趋势

看到了如此诱人的评测数据之后，相信很多人都想知道用这些超级计算机来打游戏是怎样的感觉。不幸的是，除了价格因素和游戏支持以外，仍然有很多问题阻止我们用超级计算机来打游戏。在TOP500名单上的超级计算机都有着非常巨大的体积，在他们工作的时候会发出震耳欲聋的噪音，并且他们的电能功耗也高的吓人。超级计算机的放置房间也需要经过许多特殊的设计。

这些超级计算机也很容易死机，甚至他们会比出现Windows蓝屏的几率更高。依照TOP500网站的统计数据目前世界上最强大的超级计算机是IBM的Blue Gene，他的平均无故障时间只有6天半。超级计算机都支持多用户管理，通常同时会有多个科研小组使用这台计算机，如果运行某一个程序时发生问题，那么整个系统就会陷入瘫痪。

Orion的很多产品就是面向个人推出的超级计算机。Orion的计算机系统一部分是基于LANL实验室Wu Feng所研发的技术，而内部则是采用Green Destiny架构。这种架构是Wu Feng专门为超级计算机稳定性的一种特殊优化。与其他超级计算机相比，因为Green Destiny很少出现死机的情况，在1年内，它的实际利用率要远远超过比它更快的计算机。不过Wu Feng也指出，超级计算机发生死机的原因有很多，有些是需要更多的存储器，有些则是因为供电不足。而Green Destiny技术也不能胜任于每一台超级计算机。

Orion所生产的个人超级计算机可以代替一般的台式计算机来使用，特别是一些小型的科研机构。它支持目前各种主流的接口，并且它也不需要加装特殊的冷却器。最重要的是，科研人员可以像是使用普通台式机那样方便的使用超级计算机。这些面向个人的超级计算机都有非常友好的操作界面，科研人员不必分心去学习如何使用超级计算机，他们可以把更多的精力都投入到自己的研究中。

超级计算机的这种个人化的发展趋势于当年PC机的普及非常类似。在当时有很多比Apple II和VisiCalc更快的计算机。但是对于其他计算机而言，IT管理部门要花好几周的时间来培训员工如何使用他们。相比之下，Apple II和VisiCalc简单的操作界面更容易上手。

尽管个人超级计算机可能无法排进TOP500的名单中，但是他们可以提供比一般PC更为强大的运算能力。并且Orion的桌面超级计算机系列起价仅有1万美元，这也使得面向个人的超级计算机可以得到广泛的普及。

如图，目前最新的DS-96内置了96个AMD Opterons处理器。星球大战3的很多特效就是用它来渲染完成的。

总结

在我们这颗星球上，哪里可以找到最大最强的电脑？他们都在TOP500的名单上。我国的超级计算机能排到世界500强的第35位，其运算能力已经非常惊人，不过与世界第一还有不少的差距。得意于无数计算机科学家和技术研发人员的努力，超级计算机的运算能力在以一种爆炸式的速度不断创出新高。而超级计算机也用它的实力证明了自己的价值，在很多海量数据处理领域得到了广泛的应用。同时又有一股超级计算机个人化的浪潮即将到来，届时普通用户也可以享受到超级计算机那无穷的魅力。

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