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超级计算机的基本组成及其应用情况

添加时间:2019-05-10 14:29 来源:未知 作者:优选论文网
  摘要:近年来超级计算机的重要性逐渐被人们所认识, 当今在军事、生物领域, 已经越来越离不开超级计算机的投入, 并且超级计算机在各个新兴领域也开始发挥越来越大的作用。本文主要论述了超级计算机的发展情况, 阐述了超级计算机的基本组成原理, 并说明现阶段超级计算机的应用情况以及对未来的展望。
  
  关键词:超级计算机; 机群; 物联网;
  
  1 引言
  
  超级计算机能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑[1].就超级计算的和普通计算机的组成而言, 构成组件基本相同, 但在性能和规模方面, 则差距非常大。超级计算机主要特点包含两个方面:极大的数据存储容量和极快速的数据处理速度, 因此它可以在多种领域进行一些人们或者普通计算机无法进行的工作。
  
  2 超级计算机的发展情况
  
  2.1 超级计算机早期的发展情况
  
  超级计算这一名词在1929年《纽约世界报》中首次出现, 到了1964年, CDC6600系统的计算能力已经可以达到每秒百万次浮点计算。1976年美国克雷公司制成为了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的高性能计算机[2].超级计算机的计算性能再次提升千倍则是到了1996年, 计算能力达到了1.4TFLOPS.
  
  2.2 超级计算机当代的发展情况
  
  在2013年6月, 由国防科技大学计算机学院研制的中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”取得了全球第五的排名, 这也是我国超级计算机首次排名靠前, 并且也是榜单前十中唯一的非美国生产的超级计算机, 打破了美国在这一领域的绝对统治。到了2017年11月, 在新一期超级计算机排名中, 我国研制的超级计算机“天河二号”和“神威?太湖之光”分别获得亚军和冠军。在各国上榜超算台数上来看, 中国也首次突破了200台大关, 占据榜首, 反观美国则是降到了144台成功交换了位置, 开创了属于中国的超级计算机新时代[3].2018年11月, 最新一期的超级计算机世界排名发布, 美国研制的“顶点”超级计算机蝉联冠军, 扩大了领先优势;“神威·太湖之光”和“天河二号”则又分别位列第三、四名。
  
  2.3 超级计算机的发展趋势
  
  超级计算机虽然具有很多优势与巨大的计算能力, 但是在过去的几十年里没有受到重视, 而计算机在军事领域, 尤其是空气动力学和天气预测方面, 越来越多的用途使大众对超级计算机有了别样的看法。同时各个国家以超级计算机的多少和能力的强弱来进行国力的竞争, 这都促使大众逐渐将目光转向了超级计算机领域。超级计算机还可以给我们带来一些意想不到的科学结果和一些实验无法预料的情况, 未来, 也有很广阔的发展前景。虽然摩尔定律已不再适用于传统的半导体工艺, 但是一些全新的技术可以应用于超级计算机, 比如量子计算, 将在性能突飞猛进的同时使超级计算机向更加节能, 体积更小的形式发展。
  
  3 超级计算机的组成
  
  3.1 超级计算机硬件组成
  
  超级计算机的硬件组成与个人计算机组成基本相同, 主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。但是超级计算机超强的数据分析处理能力、超大的存储容量、巨大的能耗是个人计算机无法比拟的。超算强大的硬件系统、丰富的外围设备和高适配的软件系统也是个人电脑遥不可及的。
  
  现代超级计算机, 主要是由机群系统组成, 成千上万的计算节点有效协调才能发挥出它们最大的潜力, 这也是超级计算机的特殊构件所要解决的问题。尽管计算节点同时使用多个CPU, 但是从管理的角度看, 它们的表现就像一台单CPU计算机。系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上, 从而极大地提高了整个系统的数据处理能力[4].组建SMP却不简单, 首先CPU之中必须内置了APIC单元, 使CPU之间可以互相通信:其次CPU必须使用完全相同的型号, 因其内部指令的不同, 两个CPU必须保持在一定的相同的频率上运行, 否则系统将无法正常运行。SMP也有以下的优点:可以增加数据吞吐量, 因为操作系统由处理器共享;它提供了一个单一的系统映像, 便于操作;对于一个单独的问题, 它可以使用更多的处理器;对各种软件的兼容性很好。
  
  3.2 超级计算机软件组成
  
  高性能计算机在硬件方面是非常强大的, 但是同时为了发挥出它最大的性能, 软件方面也很重要。现在的超级计算机60%以上都是使用了Linux操作系统, 不仅仅是因为Linux系统开放源代码, 并且它系统几乎可以在一切不同硬件组成的计算机上运行, 具有很强的兼容性, 同时Linux没有授权费用。而某些经过修改的系统往往具有很强的商业用途, 从而限制了计算机的性能。如IBM的AIX系统, 它允许多软件同时享有同一个处理器, 这样无疑是降低了性能。大多数超级计算机的系统是基于Linux来适应不同应用而量身定制的。
  
  4 超级计算机的应用
  
  4.1 超级计算机在各领域中已成熟的应用
  
  当今, 超级计算器在生物领域以及天气预测和空气动力学上得到了趋于成熟的应用。在分子生物学上, 超级计算机一般用于蛋白质分子结构的模拟、解析。但是随着数据库技术、数据挖掘技术和海量数据存储技术的发展, 数据仓库技术应运而生, 它产生的海量数据已不是人力可以分析与处理的了, 于是数据库的检索配对分析便成了计算机的重任。超级计算机可以迅速地对海量的数据进行比对分析, 比普通计算机更加快速地完成工作, 精确度非常高, 一些较为复杂的蛋白质结构一般可以在一天甚至几小时内解析出来。
  
  4.2 超算在各领域中不成熟的应用
  
  虽然超级计算机在很多领域有近乎成熟的应用, 但是在数学证明方面超级计算机并不是成熟。1976年美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上, 用了1200h, 作了大约100亿个判断, 证明出没有一张地图上相邻的两个国家因为颜色相同从而需要五种颜色, 至此困扰了人们多年的四色问题被第一次证明。在各国科学家学者的不断创新贡献中, 超级机计算机凭借着的强大计算能力和并行处理能力日益被人们重视, 机器证明的巨大优势也显现出来。
  
  虽然超级计算机有着巨大的计算潜力, 但是机器证明仍然存在着许多不足之处, 如只能进行死搬硬套的数字计算;并且缺少数学直觉也是机器证明的一大障碍。因为证据的缺乏和各种事件发生的可能性的并存, 解决问题时我们时常会遇到不确定性。而有修养的数学家可以在纷繁复杂的情况下做出有效的快速决策, 在事实证据有限的情况下迅速找到证明定理或解决问题的一般性原则和中介环节, 虽然机器证明对不精确的推理有较大发展, 但是依旧很难克服缺少数学知觉, 无法产生因问题的设问方式的定向联想这一困难。
  
  4.3 超算在未来的应用展望
  
  近几年, 物联网迅速发展, 智能家电也陆续进入大众家庭, 远程的云端操控使得每一个智能家电在网络上都应该有一个IP地址, 但是由于IPV4即将分配完毕, IPV6逐渐被应用于生活。IPV6可以提供2^128的地址数, 但是如此之多的地址与家电, 一般的服务器将面临严峻的考验, 只有性能强大的服务器才能完成数据的吞吐而不会发生用户无法发出请求或者请求无法处理的尴尬境况, 接受, 处理与发放, 超级计算机有巨大的潜力来完成工作。
  
  同时, 面临人口的巨大增长, 迁移人口逐渐增多, 城市空间利用不尽合理, 在有限的地域内, 如何以最合理的方式利用空间也是城市建设的目标。在繁复与巨大的图纸中, 由于考虑的因素太多, 人类的设计会有一定的缺陷。然而可以通过计算机的最优化算法将很多因素考虑进来, 如人流量、车流量、交通道数、路程与公共设施的分布等等, 超级计算机凭借着超强的计算能力和数据分析能力可以做到方案的最优化, 通过机器的人工教导学习和实地的实践建模, 使计算机提供更多优秀适宜的设计方案供人们选择。这样, 有限的城市空间不仅得到最大化的利用, 同时可以让人们得到最舒适的生活环境。
  
  5 总结
  
  日益受到人们重视的超级计算机正在向前, 以势不可挡的方式发展。因超级计算机优秀的计算性能与并行处理能力, 越来越多新兴的领域正在逐渐适应超算这一强大助力的加入, 它光明的发展前景令人看好。但是因为软件技术与经典的硬件工艺的限制, 超级计算机在某些高度依靠复杂判断与逻辑的问题中显得捉襟见肘, 兴起的量子计算机与深度学习技术可以应用于这些问题的解决或者为其未来的发展奠定坚实的基础。未来超级计算机的小型化与民用化是它重要的发展方向, 用于解决人类的问题, 为人类创造光明的未来才是超级计算机真正的意义所在。
  
  参考文献
  
  [1]历军。中国超级计算机的未来[J].了望, 2014 (2) :34-35.
  [2] 李想。浅谈超级计算机[J].东方青年·教师, 2013 (23) :145.  
  [3] 杨逢春。超级计算机的最新进展 (综述) [J].计算机工程与科学, 1989 (3) :112-123.  
  [4]蒋建春。一种异构多核处理器嵌入式实时操作系统构架设计[J].计算机科学, 2011, 38 (6) :298-302.
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