超级计算机研究报告

超级计算机 研究报告 AMiner研究报告第十期 清华大学计算机系－中国工程科技知识中心 知识智能联合研究中心（K&I） 1概述篇 Contents目录 1.1超级计算机相关概念2 1.2超级计算机发展脉络4 2技术篇 1.3典型超级计算机简介7 2.1基础层：以异构并行为基础的超级计算机组成11 2.2中间层：六类设备+三大网络14 2.3应用层：解决方案15 2.3.1石油气勘探16 2.3.2生物医药与智能医疗16 2.3.3工程仿真与航天器研发18 2.3.4天气预报与雾霾预警19 2.3.5海洋环境工程21 3人才篇 2.3.6建筑信息模型22 3.1学者概况25 3.2国外学者27 4市场篇 3.3国内学者31 5应用篇 4.1超级计算机的市场37 5.1超级计算机的应用40 图表目录 图1超级计算机发展历史4 图2CDC6600超级计算机与系统控制台5 图3Cray-1超级计算机及其内部结构5 图4超级计算机技术分层11 图5超级计算机系统的架构分类12 图6浪潮集团建构的超级计算机生态结构图15 图7超级计算机应用示意图15 图8全基因组测序成果17 图9某型航空发动机内部三维流动工程仿真效果图18 图10大规模并行模拟“天宫一号”两舱绕流状态19 图112015年4月2日08时~3日08时暴雨过程模式预报图20 图122015年4月2日08时-4月3日08时暴雨过程实况图20 图13大气模拟中不同kernel的数据划分和任务调度21 图14利用“神威·太湖之光“模拟的全球（a）与区域（b）重要海浪高度分布21 图15远程可视化建模22 图16超级计算机全球学者分布图25 图17超级计算机全球学者迁徙图25 图19全球超级计算机领域TOP学者h-index分布图26 图20全球超级计算机领域TOP学者性别比例26 图21超级计算机学者中国分布图27 图22台湾超级计算机发展历程37 图23超级计算机相关研究近期热点关键词及其走势41 表1历年TOP500超级计算机排名第一6 表2各洲排名进入TOP500的计算机数量情况（2018年11月）7 表3各国排名进入TOP500的计算机数量情况（2018年11月）37 表42018年11月超级计算机TOP500前十38 扫码订阅 摘要 随着计算技术的发展，科学计算对超级计算机的计算能力提出了越来越高的需求，超级计算机为解决国家经济建设、科学进步、国家安全等一系列重大挑战性问题提供了不可替代的重要作用。本研究报告对超级计算机这一课题进行了简单梳理，包括以下内容： 超级计算机概述。报告首先从多个角度对超级计算机进行定义；其次介绍了超级计算机的评价体系，包含TOP500、Green500与“戈登·贝尔”奖；接着对超级计算机的研究价值进行介绍，无论是在理论研究层面，还是实际应用层面，超级计算机都做出了突出贡献，并且发挥着越来越重要的作用；最后，我们对超级计算机的发展历程进行梳理，按照时间先后，结合国家与超算技术架构的发展情况，分为了四个阶段，目前超级计算机处于多向发展阶段，中国在超算领域的地位迅速提升。 超级计算机技术原理。将超级计算机技术分为基础层、中间层和应用层三个层次来进行介绍。基础层介绍了以异构并行为基础的超级计算机组成，按照并行计算方式是单指令多数据流（SIMD）还是多指令多数据流（MIMD），存储器是共享还是分布，对现阶段超算架构进行了详细的分类；中间层介绍了六大设备与三大网络，包括登录节点、管理节点、计算节点、异构节点、交换设备与I/O设备、存储设备、管理网络、计算网络和存储网络；应用层结合了相应的实例，介绍了目前超算的主要应用，包括石油气勘探、生物医药与智能医疗、工程仿真与航天器研发、天气预报与雾霾预警、海洋环境工程、建筑信息模型与基础科学研究。 超级计算机领域人才介绍。基于AMiner大数据，对超级计算机领域专家进行深入挖掘和介绍。包括顶尖学者的全球与中国分布、迁徙概况、h-index分析，并依据AMiner评价体系，在世界与中国两个层面各选取十人进行详细介绍。 超级计算机市场统计分析。依据TOP500历年数值，按照运算性能与市场份额，对各国超级计算机实力进行了分析。随着E级超级计算机的研发，各国对市场的竞争也愈演愈烈。 超级计算机发展趋势预测。超级计算机无论是在科学领域还是工程领域、理论研究还是现实生活中，其应用十分广泛，有着极为广阔的发展前景。本文在结合当前应用的基础上，对超级计算机未来的发展趋势作出了四点相应的预测，运算速度进一步大幅提升、与AI或VP相融合、量子计算机、生物计算机是目前超级计算机发展的热门趋势。 concept 概述篇 1.概述篇 1.1超级计算机相关概念 (1)什么是超级计算机？ “Supercomputer”一词最早出现于1929年，《纽约世界报》一则关于IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机(tabulator)的报道中首次使用了它。 《计算机科学技术百科辞典》中将其解释为“具有非常高的运算速度，有非常快而容量又非常大的主存储器和辅助存储器，并充分使用并行结构软件的计算机”。 维基百科解释其为“能够执行一般个人电脑无法处理的大量资料与高速运算的计算机，规格与性能比个人计算机强大许多。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一兆（万亿）次以上”。 通俗来讲，超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机等，在计算速度、存储容量等方面有着普通计算机所不具备的超高性能，主要运用于尖端科研、国防军工、产业升级、重大社会问题等大科学、大工程、大系统中，是一个国家科研实力的体现，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。 超级计算机当前以每秒钟浮点运算速度（flops）为主要衡量单位。现有最先进的超级计算机运算速度大都可以达到每秒十亿亿次以上，目前处理速度最快的超级计算机Summit实测峰值可以达到122.300Pflops（Pflops=1015flops），理论峰值为187.659Pflops1；在2016年 6月的TOP500榜单中，第一名为神威·太湖之光，实测峰值为93.015Pflops2；在2013年11 月的TOP500榜单中，第一名为天河-2A，实测峰值为33.862Pflops3；在2008年6月的榜 单中，第一名为Roadrunner（走鹃），实测峰值为1.026Pflops4。可以看到，在2008-2018十年间，超算的实际峰值增加了百倍之多，可见超算的运算能力发展极为迅速。目前，超级计算机领域顶尖研究机构正在针对E级（Eflops=1018flops）系统的研发进行激烈竞争。 (2)超级计算机评价体系有哪些？ TOP500 TOP500是业界公认的超级计算机性能排行榜。1993年以来，TOP500组织会依据基准程序LINPACK测试值来评定全球超级计算机五百强，并在每年6月和11月召开的两次国际超级计算机大会（ISC和SC）上公布最新评选结果，其目的是促进国际超级计算机领域 1TOP500（2018年6月数据）：https://www.top500.org/list/2018/06/ 2TOP500（2016年6月数据）：https://www.top500.org/list/2016/06/ 3TOP500（2013年11月数据）：https://www.top500.org/list/2013/11/ 4TOP500（2008年6月数据）：https://www.top500.org/list/2008/06/ 的交流和合作，促进超级计算机的推广应用。2010年，中国凭借天河1号首次问鼎TOP500。 Green500 如果说TOP500是超级计算机性能排行榜，那么Green500就是针对超级计算机能效的排行榜。基于LINPACKBenchmark模型，衡量计算机每瓦功耗可以提供的计算速率——每瓦性能（Gflops/watts）。与TOP500一样，Green500也是每年发布2次，评选出全球能效最高的超级计算机系统五百强。2016年起，Green500与TOP500开始同时发布。 “戈登·贝尔”奖 戈登·贝尔奖被认为是超级计算应用领域的诺贝尔奖。设立于1987年，由美国计算机协会（AssociationforComputingMachinery，ACM）于每年全球超级计算大会（SC）上颁发，象征性奖金1万美元，获得者主要是当年在TOP500排行中名列前茅的计算机系统的应用团队，例如美国“泰坦”超级计算机、日本“京”超级计算机上的应用软件都曾得奖。该奖项自设立后，30多年来一直由美国和日本的软件获得，直到2016年11月全球超级计算机大会上，中国科学院软件研究所研究员杨超等人凭借在神威·太湖之光超级计算机上的“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”研究成果，实现了中国人在该奖项上的首次突破。2017年，清华大学地学系副教授付昊桓等人，凭借基于神威·太湖之光的“非线性大地震模拟”再次获得此奖项。 (3)超级计算机有何研究价值？ 随着风险社会的来临，人类面临越来越多的极端灾害天气、能源环境危机等非传统挑战，在太空探索、基因工程等方面的研究也不断深入。无论是理论研究还是应用问题求解，利用计算方法进行科研已经成为一种重要的手段，同时对计算机运行速度、精确度、储存能力等都提出了更高的要求，计算机能够准确高效地完成大规模问题的计算和海量数据处理成为当务之急。 作为对时代需求的直接回应，超级计算机在天气预测、污染检测与防控、石油气勘探与地震预测、工程仿真、天体物理建模、纳米材料研发、生物制药与基因对比、大规模人类组织行为、核爆炸模拟、动画效果渲染等领域已经创造了不可估量的价值。与此同时，虚拟现实、人工智能等技术想象的实现，也离不开超级计算机的具体落实。 1.2超级计算机发展脉络 图1超级计算机发展历史 (1)国防驱动阶段(1950s——mid-1960s)：军事目标下的国家资助模式 早期的计算机科学研究有着浓厚的国防军事色彩。20世纪50年代后期，美国政府主要根据国家安全需求来支持情报和核武器应用研究。国家安全是开发高性能计算技术的主要推动力。20世纪60年代初的IBM7030Stretch和SperryRandUNIVACLARC正是在这样的背景之下诞生的，因为其计算速度显著超出顶尖商用机的数量级而被视为早期的超级计算机。 军事目标驱动阶段也是奠定超级计算机技术基础的阶段。早期超级计算机系统中首创的技术，随着后来的商用计算机系统进入工业主流，例如，IBM7030虽然被认为并不成功，但是它催生了许多在后续计算机中发挥巨大作用的新技术，如晶体管逻辑、多线程、存储器保护、通用中断等等；另外，军事目标的主导作用也催生了超级计算机研究的一种典型管理模式——政府资助支持、国防科研单位主导，目前多数拥有超级计算机技术的国际和地区都采取这种模式。 (2)公司主导阶段(mid-1960s——1970s)：成本降低、向量处理起步 20世纪60年代中期到70年代末期，美国乃至全球的超级计算机行业主要由两家公司主导，即ControlData和CrayResearch。在这一阶段，超级计算机的成本得到有效控制，同时向量处理技术的速度得到了大幅提升，大量廉价高速的计算机走向商品市场。 图2CDC6600超级计算机与系统控制台 1964年，ControlData的超级计算机CDC6600大获成功——在绝对计算能力方面，CDC6600相比前代超级计算机有了大幅提升（IBM7030的三倍），以1Mflops的运算速度成为1964-1969年间最快的计算机；在成本控制方面，CDC6600以接近甚至低于主流商用机最佳性价比的价格提供超级计算能力。先后有150台CDC6600被生产出来，在欧美顶级实验室效力于高能核物理研究。 图3Cray-1超级计算机及其内部结构 1972年，超级计算机设计师SeymourCray离开ControlData之后创办了CrayR