超级计算机生存实录

　　下一代HPC遭遇存储访问带宽挑战

　　从某种程度上说，目前科学计算主要是受限于带宽（而不是算法）。目前国际上各种高速、高带宽的互联技术已经很多，关键是一“走”PCB板就会大打折扣，这已经成为一个很大的瓶颈。为此，科学家们正在考虑另外的办法。

　　在2002年10月和2004年4月，美国Lawrence Berkeley国家实验室和Argonne国家实验室联合发布的给美国国家能源部的两篇建议书里指出，目前高性能计算机理论峰值和实际应用持续性能差距的不断扩大，需要一个更好的能够评价未来系统可能发挥出的性能的评价尺度。两个实验室的研究人员利用一组把存储访问带宽考虑在内的合成评价尺度对新提出的和现存的系统进行了检查。这类评价确认了一个基本事实：系统相对理论峰值达到的实际性能实际上是处理器有多少时间用在运行应用程序上和处理器等待数据从存储器存取时间的度量。因此，数据移动的速率与数据处理速率的比值给出了特定系统生产效率和典型应用能够期待的峰值速度百分比的更加现实的评价。

　　找准瓶颈位置

　　传统的高存储访问带宽只有在向量机器里才有，主要面向科学计算问题；而商用的通用处理器是为Web服务和家庭PC市场设计的，主要是用在Cluster上来降低价格。但科学计算的需求是不同的，需要在数据移动速度（本地存储访问和消息传递速度）和浮点计算速度之间找一个更好平衡。当前对应用性能比较高的机器都是这一比值比较高的机器体系结构设计，参见本页上图。

　　从某种程度上说，目前科学计算主要是受限于带宽（而不是算法），目前国际上各种高速、高带宽的互联技术已经很多，关键是一“走”PCB板就会大打折扣，这已经成为一个很大的瓶颈。为了解决这个问题，光互联技术已经在很多科学家的研究范围之内。另外，从芯片本身来说，很多研究机构正着力于把多数技术在芯片中实现，Memory-in-Processor（处理器集成到内存）、Processor-in-Memory（内存集成到处理器）等芯片技术已经取得很大进展，这将突破以往处理器和内存之间的瓶颈，从而使系统计算能力大大增强。

　　存储访问开销越来越引起机器体系结构设计者、算法和程序开发者的重视。SUN公司最新提出的Hero HPCS系统提出了采用异步计算(Asynchronous Computing)的体系结构和更高的存储与浮点性能比，试图打破处理器各部件的速度同步限制，充分发挥各部件的全部性能。

　　对效能的重视

　　高性能计算领域的一个值得注意的新趋势是开始从关注高性能向高生产率转变。以前大家对于高性能计算机一贯是不计代价，一味追求计算速度。但现在这种趋势在变，很多人不仅开始关注高性能计算机从提出问题到解决问题所用的时间，而且会考虑单位空间的flops、单位功耗的flops，甚至单位资金投入所产生的flops等指标。

　　美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们已经提出一种可以替代现有标准超级计算机和传统机群系统的全新超级计算机设计概念。这些科学家认为，计算的成本应当包括电能、基础设施、空调、占地空间、系统故障修复时间以及系统维护人员工资等，即应该更注重效率和可靠性，而不是超级计算机的原始速度。使用这种设计的第一台超级计算机被命名为“绿色命运（Green Destiny）”系统。IBM正在研发的BlueGene/L超级计算机项目到2005年最后完成时，也会在功耗、体积方面相对于目前的高性能计算机有很大改观。李国杰院士也表示，计算所下一步将会把万亿次计算机做到小塔式大小，以方便大家使用。未来的超级计算机将不仅仅是计算速度的巅峰之作，同样在高效率、小体积、稳定性、节能等方面也会成为其他IT产品的典范。

　　高性能计算领域的一个值得注意的新趋势是开始从关注高性能向高生产率转变。以前大家对于高性能计算机一贯是不计代价，一味追求计算速度。但现在这种趋势在变，很多人不仅开始关注高性能计算机从提出问题到解决问题所用的时间，而且会考虑单位空间的flops、单位功耗的flops，甚至单位资金投入所产生的flops等指标。

　　美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们已经提出一种可以替代现有标准超级计算机和传统机群系统的全新超级计算机设计概念。这些科学家认为，计算的成本应当包括电能、基础设施、空调、占地空间、系统故障修复时间以及系统维护人员工资等，即应该更注重效率和可靠性，而不是超级计算机的原始速度。使用这种设计的第一台超级计算机被命名为“绿色命运（Green Destiny）”系统。IBM正在研发的BlueGene/L超级计算机项目到2005年最后完成时，也会在功耗、体积方面相对于目前的高性能计算机有很大改观。李国杰院士也表示，计算所下一步将会把万亿次计算机做到小塔式大小，以方便大家使用。未来的超级计算机将不仅仅是计算速度的巅峰之作，同样在高效率、小体积、稳定性、节能等方面也会成为其他IT产品的典范。