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高性能计算三大研究领域 　　科学计算、海量信息处理与检索以及正在普及的多核个人计算机是高性能计算的主要研究领域，由于领域的不同，对于高性能计算各自都有不同的研究重点。 　　 　　美国宇航局(NASA)是超级计算机最大的用户之一 　　 　　从起源来看，计算机系统的原始需求来自军事，如第一台计算机ENIAC是美国军队为了计算弹道而投资研制的。在随后的30年中，计算机主要应用于与国家安全相关的领域，如核武器设计、密码破译等。到20世纪70年代末，高性能计算机开始应用于石油工业、汽车工业等资本密集型工业。随后，高性能计算机开始广泛进入各个行业，协助进行产品设计、用户分析等等。如医药公司使用高性能计算机辅助进行药物设计，可以大大节省新药的研发开支; 超市使用高性能计算机分析用户消费模式，以推出恰当促销措施等等。在这些领域，更高的计算性能就意味着在产品和服务方面的竞争优势。在科学研究领域，数值模拟方法成为现代科学方法的重要组成部分，这里更高的计算性能就意味着更快的科学发现速度。目前，高性能计算技术已成为促进科技创新和经济发展的重要手段，是一个国家综合国力的重要组成部分。本文将就高性能的几个最重要的应用领域进行介绍。 　　用高性能计算机解决科学挑战 　　许多重要的科学问题非常复杂，需要功能非常强大的计算机来进行数值模拟，这些问题被视作科学上的重大挑战，可以分为如下几类: 　　1. 量子化学、统计力学和相对论物理学; 　　2. 宇宙学和天体物理学; 　　3. 计算流体力学和湍流; 　　4. 材料设计和超导; 　　5. 生物学、制药研究、基因组序列分析、基因工程、蛋白质折叠、酶活动和细胞建模; 　　6. 药物、人类骨骼和器官建模; 　　7. 全球天气和环境建模。 　　这些重大挑战问题大多可以看作传统的高性能计算应用的延伸，其特点是: 大部分是浮点密集型应用程序，并行算法要求多个并行进程之间进行较为频繁的通信和同步，而非简单的多个计算用例之间的并行，因此无法使用多台规模较小的系统来替代一台大规模系统。 　　这些重大挑战问题对计算能力的需求远远超出了现有的高性??计算机的性能。以量子化学计算为例，需要20T～100Tflops的持续计算能力才能够对目前进行的实际实验结果进行预测。在核聚变研究领域，需要20Tflops的持续计算能力才能够进行全规模的系统模拟。蛋白质折叠的计算需要1Tflops的持续计算速度。另一方面，重大挑战问题对数据的存储也提出了更高的要求，以计算生物学为例，进行蛋白质分析时需要使用的一台质谱仪每天就可以产生100GB的数据，50台质谱仪1天就可以产生5TB的数据。 　　目前，世界上最快IBM BlueGene/L的处理器个数为131072个，Linpack速度为280.6TFlops，达到了其峰值速度的76.5%（2005年11月数据）。但一般并行算法要比Linpack的通信更加频繁，访存局部性也没有Linpack好，这使得其并行效率相当低，通常仅能达到系统峰值速度的10％，甚至更低。为了能够有效地解决上述重大挑战性的问题，需要研制千万亿次高性能计算机系统，这就需要攻克系统结构、软件工具和并行算法等多方面的难关: 　　 　　1. 能耗控制 　　随着现代处理器频率的增加，其功率也大幅度增加，必威体育精装版处理器的功耗已经超过100W。这使得高性能计算系统本身的耗电问题已经十分严重。同时由于系统散发的大量热量，必须在机房中采用大功率的空调系统才能保持系统机房的正常温度。这两方面的因素造成系统的整体电能消耗非常巨大，维护成本很高。分析结果表明，未来系统主要的维护成本将来自系统的电能消耗。在研制千万亿次高性能计算机系统时，必须重视系统的能耗问题。 　　目前有几种方法来处理系统能耗问题，一是给处理器设定较低的工作电压，通过并行性来获得高性能，例如BlueGene/L处理器的工作频率仅有700Mhz，因此单个内核的处理能力远远低于其他高频率的处理器。但BlueGene/L通过大量的处理器来弥补单个处理器能力的不足，达到了较高的整体系统性能，并获得了优化的性能/能耗比。另一种方法是通过软件和硬件传感器确定和预测需要使用的部件和不需要使用的部件，然后将不需要立即使用的部分通过某种措施，如降低频率或完全关闭来减少其耗电量，从而达到降低整个系统功耗的目的。这方面的工作根据控制的粒度不同可分为芯片级、主板/BIOS级以及结点级。 　　 　　2. 高性能计算软件与算法 　　大规模并行处理硬件系统仅仅为高性能计算提供了一个平台，真正的功能还要通过高性能计算软件来完成。高性能计算软件与算法的主要工作可以分为3类: 　　（1） 提出具有较低理论复杂度或较好实际性能的串行算法 　　尽管可以通过并行计算来加快运算的速度