刀片集群系统在高性能计算中的应用

高性能计算已经取得了巨大的成就，在众多关键领域有着重要的应用。而随着处理器多核技术的发展趋势，高性能并行处理技术将应用于更多的领域，变得更加普及。

作为高性能计算基础设施的核心，现代高性能计算机的发展从20世纪70年代的向量计算机开始，也已经有了30年的发展历程。先后出现了向量机、多处理器并行向量机、MPP大规模并行处理机、SMP对称多处理机、DSM分布式共享存储计算机、Constellation星群系统、Cluster集群系统、混和系统等多种主体的架构，并分别在不同的时期占据着应用的主流。

开放的Cluster集群系统具有较多的优势，已经占据了目前高性能计算机的主流位置，在TOP500中占据了80%以上的份额，在中小规模的高性能计算系统中更是占据绝对优势地位。

现代高性能计算机对计算密度、系统功耗、管理维护提出了更高的要求，这给刀片服务器的发展和应用带来了很好的机会。

曙光公司根据多年在高性能计算机领域的积累，结合市场用户的实际需要，积极倡导高性能计算机的产品和技术规范，推出了第三代刀片曙光TC2600。

基于刀片的曙光高性能集群系统，不仅具有Cluster架构的普适性优点，而且更加符合现代高性能计算机对计算密度、能耗、可靠性、易用性等方面的要求，是高性能计算的最佳平台。

曙光公司在高性能计算领域有着深厚的技术积累，不仅蕴涵在刀片的设计里，还体现在刀片集群的应用上。曙光公司各应用领域首席工程师已经完成了主要并行应用软件向刀片集群的移植和优化，取得了很好的效果，这将在应用层面上打消用户顾虑，保障用户应用的顺畅和高效。

先进的产品配合全面的应用支持，曙光高性能刀片集群系统将为用户提供最佳的应用解决方案。

1. 高性能计算的应用

1.1. 高性能计算的重要作用

20世纪后半期，全世界范围掀起第三次产业革命的浪潮，人类开始迈入后工业社会——信息社会。在信息经济时代，其先进生产力及科技发展的标志就是计算技术。在这种先进生产力中高性能计算机（超级计算机）更是具有代表性。

时至今日，计算科学（尤其是高性能计算）已经与理论研究、实验科学相并列，成为现代科学的三大支柱之一。

三种科研手段中，理论研究为人类认识自然界、发展科技提供指导，但科学理论一般并不直接转化为实用的技术；实验科学一方面是验证理论、发展理论的重要工具，另一方面，它是在理论的指导下发展实用技术，直接为经济发展服务；计算科学的发展也有相当悠久的历史，只是在计算机这一强大的计算工具问世之前，计算只能利用人类的大脑和简单的工具，计算应用于科学研究有天然的局限性，限制了它作用的发挥；随着计算机技术的发展，使用科学计算这一先进的技术手段不断普及，逐渐走向成熟。科学计算可以在很大程度上代替实验科学，并能在很多情况下，完成实验科学所无法完成的研究工作。科学计算也直接服务于实用科技，并为理论的发展提供依据和机会。

在许多情况下，或者理论模型过于复杂甚至尚未建立，或者实验费用过于昂贵甚至不允许进行，此时计算模拟就成为求解问题的唯一或主要手段了。例如，全面核禁试条约签订后，为了仍需保持核威慑力量，核武器的研究转到了以实验室研究和数值模拟为主。核武器是一个精细结构的装置，核禁试后数值模拟成了唯一可能进行的全系统(虚拟)试验，通过数值模拟可以评估核武器的性能、安全性、可靠性等等。为此要求数值模拟达到高分辨、高逼真、三维、全物理和全系统的规模和能力，这样对计算机的性能要求非常高，其峰值速度就要求达到Tflops(每秒万亿次浮点运算)的规模。显然这样的高性能计算机必须是大规模的并行计算机，例如美国三大核武器研制实验室就分别向美国的各个高性能计算机厂商预定和购买峰值速度超过100Tflops的高性能并行计算机。

目前，高性能计算已广泛应用于国民经济各领域，发挥着不可替代的重要作用：

a) 基础学科中深入的知识发现，问题规模的扩大和求解精度的增加需要更高性能的计算资源。例如，计算立体力学、计算材料学、计算电磁学。

b) 多学科综合设计领域中大量多部门协同计算需要构建高性能的综合平台。例如，汽车设计、船舶设计。

c) 基于仿真的工程科学结合传统工程领域的知识技术与高性能计算，提供经济高效地设计与实践方法。例如，基于仿真的医学实践、数字城市模拟、核电、油田仿真工具、新材料开发、碰撞仿真技术、数字风洞。

d) 高性能计算提升众多行业服务、决策的时效性，提高经济效益。例如，实时天气预报、城市交通控制、视频点播服务、动漫设计、网络游戏、基于RFID的货物跟踪、智能电子商务。

e) 数据密集型应用需要高性能数据处理，以应对数据爆炸式增长带来的难题。例如，高能物理实验数据处理、遥感数据处理、商业智能、生物信息学、RFID数据挖掘、金融业分析抵押借贷、移动电话流量分析。
高性能计算发展及应用水平正日益成为一个城市乃至一个国家科研实力的重要标志之一。在高性能计算领域处于领先地位就等于占领了未来发展的制高点。世界经济强国对高性能计算无不十分重视，尤其是美国、日本和欧洲各国，为了增强其在国际上的综合竞争力，纷纷制定长期发展计划，政府投资建设与民间外包运营并举，竞相投入巨大人力、物力和财力争夺这一战略高地。

美国政府有关部门长期以来非常注重对高性能计算项目的资助，并且相继在1991年提出“高性能计算与通信（HPCC）计划”，在1995年实施 “加速战略计算创新（ASCI）计划”，在1998倡议实施“科学模拟(SSP)计划”，这些举措都是为了抢占在高性能计算领域的世界领先地位。美国政府和IBM公司合作推动了蓝色基因（Blue Gene）方案，研制出了百万亿次的超级计算机。SGI，CRAY，IBM等公司都有千万亿次超级计算机的研发计划。

日本科学技术厅基于防震减灾的需要，早在1997年就制订了一项庞大的研究计划，即利用基础科学研究、人工辅助观测和高性计算模拟来预测地球环境变迁。为此，NEC公司耗资3.5亿美元，用了五年多时间，才于2002年3月成功研制出峰值性能达到40TFlops（通称40万亿次/秒）的超高速并行计算机系统——“地球模拟器”（曾列世界第一，详见世界超级计算机500强排行榜），满足了日本政府对大气海洋科学和固体地球领域的应用需求。

欧洲在高性能计算机的应用方面也不甘示弱，如英国国家气象局，已用性能更高的由30个NEC SX-6节点组成的超级计算机，取代原有的专用Cray  T3Es超级计算机。此外，欧洲国家在材料科学、核能研究和DNA分析等计算领域，一直处于先进行列。

据统计，欧、美、日发达国家已垄断了全球高性能计算的研发和应用，分布在其它国家的高性能计算应用加起来不足4％。