20921257_高端计算的前景与展望_王松

学号：20921257王松[e-mail]1高端计算的前景与展望1.引言随着科技的迅猛发展，计算机越来越多的应用在各行各业中，许多大量数据的处理都离不开计算机，人们在发展科技.探索未知世界的时需要有高性能技术计算。随之产生了各种各样高性能计算的技术：超级计算机的大规模计算，集群的大规模计算以及网格计算。本文就这三种技术的发展前景进行了讨论。2.超级计算机的大规模计算随着全球互联网络和电子商务的广泛应用.，要求网络计算机系统能够同时接待大量的用户，并以最快的速度完成用户的查询与检索，这就需要高端计算机.即超级服务器。另外.除网络应用外，人们在发展科技.探索未知世界的高性能技术计算过程中.，也需要高端计算机.，即人们常说的超级计算机,巨型机。因此.分析研究高端计算机技术的发展特点及趋势.就有十分重要的现实意义。超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。超级计算机的运算速度我们把普通计算机的运算速度比做成人的走路速度，那么超级计算机就达到了火箭的速度。在这样的运算速度前提下，人们可以通过数值模拟来预测和解释以前无法实验的自然现象。2.1高端计算机技术发展特点其特点主要表现为建立了可伸缩的多处理器系统，通过并行处理.，最大限度地发挥系统资源潜力.，通过冗余和消除单一故障点.，来实现系统高可靠地运行；另外通过标准网络互联来实现多计算机系统。下面从处理器技术、存储器技术和互联技术三个方面来论述。2.1.1处理器技术近20年来，处理器密度和时钟频率都大幅度增加，而峰值速度增加却相对缓慢些，见处理器速度的提高不仅仅是器件水平的提高，即时钟频率和芯片密度的提高，更主要的是改进了体系结构和采用了并行技术。提高处理器性能的另一个重要途径是提高处理器在每个指令周期内平均执行的指令数，即提高处理器的并行处理能力(这里有时间和空间两种并行处理技术。时间并行处理技术也称作流水线技术，即把指令分解成若干个子过程，让每个子过程可以与其他子过程在处理器的不同部件上同时执行，空间并行处理技术，也称作超标量技术，即设置多套独立的指令执行部件。使处理器能够同进发射5执行多条指令(其他技术如超流水线技术，超标量超流水线技术等都是在此基础上发展起来的。2.1.2存储器技术多处理器和多计算机系统是按照内存体系结构以及内存与处理器间的关系2来分类的(有共享、非共享、集中式和分布式4种基本的内存结构，上述内存结构的组合并考虑互联方式，就能描述当前各种处理器系统体系结构。2.1.3互联技术多处理器系统互联技术主要采用系统总线、交叉交换和多层网络三种互联技术。系统总线互联成本最低、结构简单、缺点是容易成为系统的瓶颈、可伸缩性有限。交叉交换器是一种单层交换网络、可提供较高的带宽、但其复杂性随着端口数N的平方值增加、可伸缩性有限；多层网络包含多层总线结构和多层交换器结构，其优点是可支持大系统，可伸缩性高(另外随着网络的发展，出现了许多标准的网络互联技术。2.2发展前景超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。新一代的超级计算机采用涡轮式设计，每个刀片就是一个服务器，能实现协同工作，并可根据应用需要随时增减。单个机柜的运算能力可达460.8千亿次/秒，理论上协作式高性能超级计算机的浮点运算速度为100万亿次/秒，实际高性能运算速度测试的效率高达84.35%，是名列世界最高效率的超级计算机之一。通过先进的架构和设计，它实现了存储和运算的分开，确保用户数据、资料在软件系统更新或CPU升级时不受任何影响，保障了存储信息的安全，真正实现了保持长时、高效、可靠的运算并易于升级和维护的优势。目前（2010年10月）世界最快超级计算机为天津国家超级计算机中心的天河-1A，速度为每秒2.5千万亿次，据悉该计算机采用了逾7000个英伟达生产的图形芯片随着超级计算机运算速度的迅猛发展，它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。我国现阶段超级计算机拥有量为22台（中国内地19台，香港1台，台湾2台），居世界第2位，就拥有量和运算速度在世界上处于领先地位，但就超级计算机的应用领域来说我们和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。如何利用超级计算机来为我们的工业、科研和学术等领域服务已经成为我们今后研究发展的一个重要课题。超级计算机是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。我国超级计算机及其应用的发展为我国走科技强国之路提供了坚实的基础和保证。复杂目标电磁散射和辐射特性的快速分析与计算，一直是计算电磁学领域中的一个富有挑战性的课题，在国内外工程与学术界引起了越来越多的重视。其有着广泛的应用背景，在雷达目标特性研究的需要特性数据，目标的雷达隐身与反隐身技术研究的需要。反雷达隐身技术。同时天气预报等一些牵涉到大规模数据都需要超级计算机的计算能力，这些领域中需要的高速度和高精确率，对成本价格的控制没有很高的要求，正是超级计算机应用所在。学号：20921257王松[e-mail]33.集群的大规模计算计算机集群简称集群，是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作在某种意义上，他们可以被看作是一台计算机。集群系统中的单个计算机通常称为节点，通常通过局域网连接，但也有其它的可能连接方式。集群计算机通常用来改进单个计算机的计算速度和/或可靠性。一般情况下集群计算机比单个计算机，比如工作站或超级计算机性能价格比要高得多。集群分为同构与异构两种，它们的区别在于：组成集群系统的计算机之间的体系结构是否相同。集群计算机按功能和结构可以分成以下几类:高可用性集群High-availability(HA)clusters负载均衡集群Loadbalancingclusters高性能计算集群High-performance(HPC)clusters网格计算Gridcomputing高性能计算集群采用将计算任务分配到集群的不同计算节点而提高计算能力，因而主要应用在科学计算领域。比较流行的HPC采用Linux操作系统和其它一些免费软件来完成并行运算。这一集群配置通常被称为Beowulf集群。这类集群通常运行特定的程序以发挥HPCcluster的并行能力。这类程序一般应用特定的运行库,比如专为科学计算设计的MPI库。HPC集群特别适合于在计算中各计算节点之间发生大量数据通讯的计算作业，比如一个节点的中间结果或影响到其它节点计算结果的情况。就像冗余部件可以使你免于硬件故障一样，群集技术则可以使你免于整个系统的瘫痪以及操作系统和应用层次的故障。一台服务器集群包含多台拥有共享数据存储空间的服务器，各服务器之间通过内部局域网进行互相连接；当其中一台服务器发生故障时，它所运行的应用程序将与之相连的服务器自动接管；在大多数情况下，集群中所有的计算机都拥有一个共同的名称，集群系统内任意一台服务器都可被所有的网络用户所使用。一般而言，群集和高可用性结合的服务器可将运行提升至99.99%。群集技术不仅仅能够提供更长的运行时间，它在尽可能地减少与既定停机有关的停机时间方面同样有着重要意义。例如，如果使用群集，你可以在关闭一台服务器的同时，不用与用户断开即可进行应用，硬件，操作系统的流动升级。集群系统通过功能整合和故障过渡技术实现系统的高可用性和高可靠性，集群技术还能够提供相对低廉的总体拥有成本和强大灵活的系统扩充能力。随着计算机技术的发展和越来越广泛的应用，越来越多的依赖于计算机技术的应用系统走进了我们的工作和生活。在给我们带来方便和效率的同时，也使得各行各业对于计算机技术的依赖程度越来越高。尽管随着计算机技术以日新月异的速度发展，单台计算机的性能和可靠性越来越好，但还是有许多现实的要求是单台计算机难以达到的。4高可用性集群，英文原文为HighAvailabilityCluster,简称HACluster，是指以减少服务中断（宕机）时间为目的的服务器集群技术。随着全球经济的增长，世界各地各种各样的组织对IT系统的依赖都在不断增加，电子贸易使得商务一周七天24小时不间断的进行成为了可能。新的强大的应用程序使得商业和社会机构对日常操作的计算机化要求达到了空前的程度，趋势非常明显，我们无时无刻不依赖于稳定的计算机系统。这种需求极速的增长，使得对系统可用性的要求变得非常重要，许多公司和组织的业务在很大程度上都依赖于计算机系统，任何的宕机都会造成严重的损失，关键IT系统的故障可能很快造成整个商业运作的瘫痪，每一分钟的宕机都意味着收入、生产和利润的损失，甚至于市场地位的削弱。鉴于超级计算机的成本比较高，目前集群系统成为构建高性能计算系统的主流方式。由于具有低成本、高性能和良好的可扩展性，集群系统已经日益成为构建高性能计算系统的主要方式。从大多数企业的情况来看，以系统个数计算，集群系统占很大的比例。由此可见，在构建超大规模计算系统时，集群系统已经成为主流。集群系统的一个重要特点是尽量使用商用部件以降低成本。用来构建集群系统的各个部件，包括计算结点和通信网络，都可以在市场上很方便地得到而无需专门定制。而使用开放源代码的Linux操作系统和其他软件工具的集群系统更可以进一步降低系统的软件成本。成本的降低和软硬件系统的易获得性使集群系统的构建工作不再是专业公司和研究部门的专利，很多使用单位都开始在市场上购买零件并使用现成的软件工具，自己构建中小规模的集群系统。3.164位CPU正在高性能计算系统中日益普及尽管Alpha芯片在10多年前就提供了64位的计算能力，但64位运算的真正普及还刚刚开始。随着Intel、AMD和IBM各自推出自己的芯片，具有64位处理能力服务器和桌面系统的价格已经大大下降。另一方面，内存容量的提升和单位内存价格的持续下降也使得大内存系统的价格达到了用户所能够承受的范围。上述两个因素的叠加，使得用户可以以相对低廉的价格获得具有大容量内存的64位计算系统，从而为从事空气动力学模拟、生物计算、气候模拟等研究重大挑战问题的科学计算应用提供了良好的计算平台。另一方面，数据挖掘、决策支持和视频点播服务等应用也对内存空间有着巨大的需求。64位的系统为这些商业计算应用提供了强有力的帮助。3.2高性能存储系统如今，高性能计算的研究领域已经不限于科学计算本身。大规模网络服务等商业计算也是新兴的高性能计算研究和应用方向。Web服务、视频点播服务、数据库服务等目前流行的网络应用对数据存储容量、访问能力和管理方式提出越来越高的要求，这些都是传统的SCSI硬盘、RAID存储系统无法胜任的。高容量、高性能、可靠和易管理的存储技术研究成为当前热点。存储区域网络(SNN)是一种新兴的网络存储技术，它将存储子系统与服务器分离，利用高速网络进行块数据的传输，实现存储系统的可扩展性和高性能。SAN使用高速网络传输代替SCSI总线，通过私有网络传输SCSI命令，每个设备有各自的数据访问路径，设备访学号：20921257王松[e-mail]5问的网络拥塞处理由高速交换机完成。高速网络技术，尤其是光纤通道技术的应用为数据存取提供了更好的可扩展性，使网络的传输带宽可以成倍地增长，从而确保了SAN系统数据访问的高性能。3.3互连网络连接集群系统底层的互连网络，对集群系统的整体性能有决定性的作用，因此一直是学术界和工业界所关注的热点。目前，千兆以太网卡已经成为标准配置集成在服务器主板上，千兆以太网交换机的价格也已经非常平民化，因此千兆以太网成为了小规模、低成本集群的主要网络互连方式。3.4发展前景由于集群内各节点服务器通过一内部局域网相互通讯。当一台节点服务器发生故障时，这台服务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上被自动接管。当一个应用服务发生故障时，应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。当以上的任一故障发生时，客户都将能很快连接到新的应用服务上。所以在