超級(jí)計(jì)算 超級(jí)魅力

（文/曾雨）你可能并不知道，在我們工作、生活的背后，有一些“火力”強(qiáng)大無(wú)比的超級(jí)計(jì)算機(jī)，正在默默地讓這個(gè)世界發(fā)生著更為巨大的變化。

科技的快速發(fā)展，令計(jì)算機(jī)的小型化和微型化成為現(xiàn)實(shí)，以至于現(xiàn)在很多人把兩層樓高的埃尼阿克（編注: 埃尼阿克是世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，出現(xiàn)在1946年。但目前業(yè)界對(duì)于ENIAC是否是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)仍存在爭(zhēng)議，不過(guò)本文不做涉及）當(dāng)做笑談。

其實(shí)，這是一個(gè)誤區(qū)。你可能不知道，在我們工作、生活的背后，還有一些更為強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，默默地讓這個(gè)世界發(fā)生著更為巨大的變化。

新藍(lán)色基因出爐

日前，IBM宣布將在美國(guó)伊利諾斯州的美國(guó)能源部Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度將是目前世界上速度最快的計(jì)算機(jī)的3倍之多。消息一出，業(yè)界震動(dòng)。

首先，我們來(lái)解釋一下，什么樣的計(jì)算機(jī)才算是超級(jí)計(jì)算機(jī)呢？

從最根本的定義上來(lái)看，超級(jí)計(jì)算機(jī)是由八個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)組成，并作為單個(gè)高性能機(jī)器工作的集群。由于處于信息技術(shù)的前沿，超級(jí)計(jì)算機(jī)一直是一個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源，對(duì)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義。試想，如果沒(méi)有強(qiáng)大計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)，復(fù)雜的氣象、勘探工作就難以精確完成，基因研究無(wú)法繼續(xù)，航天飛船不能上天，國(guó)家安全也很難做到萬(wàn)無(wú)一失……

在這里先跟大家解釋一個(gè)名詞: Teraflop，意思就是萬(wàn)億次浮點(diǎn)計(jì)算。在超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域，浮點(diǎn)計(jì)算（flop）是一個(gè)縮寫(xiě)，其完整的含意為“每秒浮點(diǎn)計(jì)算次數(shù)”（FLoating point Operations Per Second），是一種計(jì)算機(jī)執(zhí)行浮點(diǎn)計(jì)算能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，1Teraflop即為每秒一萬(wàn)億次浮點(diǎn)計(jì)算。

在此之前，世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)是IBM為勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的BlueGene/L（BlueGene，藍(lán)色基因），其280.6Teraflop的運(yùn)算能力（目前的最新數(shù)字是478.2Teraflop）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了排在其后的系統(tǒng)，而超出其3倍的新超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力就更令人咋舌了。

據(jù)介紹，到明年夏季，這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能將升級(jí)為每秒1000Teraflop。作為開(kāi)發(fā)者，IBM方面表示，至少需要堆疊2400米那么高的筆記本電腦才能達(dá)到與這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)相同的性能水平。

這臺(tái)運(yùn)算速度驚人的升級(jí)“怪獸”，就是IBM最新系列的超級(jí)計(jì)算機(jī)BlueGene/P，是IBM繼上一代BlueGene/L之后的新一代產(chǎn)品。可以想見(jiàn)的是，它也將和它的前代產(chǎn)品一樣，長(zhǎng)期霸占“全球運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)”的寶座。

據(jù)了解，新一代的BlueGene/P最多可以配備884736顆處理器，每一顆處理器的性能大致相當(dāng)于一顆Pentium Ⅲ芯片，海量的處理器聚合在一起，從而迸發(fā)出驚人的運(yùn)算速度。與之相比，目前的BlueGene/L則“只是”配備了131072顆處理器。

提升計(jì)算能力的桎梏

看到這里，有些讀者可能會(huì)想，如果我們采購(gòu)了足夠多的處理器，譬如將國(guó)內(nèi)零售市場(chǎng)上所有的英特爾處理器都聚集在一起，是不是也能構(gòu)建出強(qiáng)大無(wú)比的超級(jí)計(jì)算機(jī)呢？

當(dāng)然不會(huì)這么簡(jiǎn)單。據(jù)專(zhuān)家介紹，構(gòu)建超級(jí)計(jì)算機(jī)最主要的難題在于需要一種全新的軟件——軟件編碼可以指揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何工作，這種全新的軟件能夠?qū)Τ汕先f(wàn)顆同時(shí)工作的處理器進(jìn)行有機(jī)、有序的管理和協(xié)調(diào)，將它們發(fā)揮到極致，從而得到驚人的計(jì)算和處理能力。然而問(wèn)題是，這種軟件的研制和開(kāi)發(fā)是非常困難的，國(guó)外的頂級(jí)廠(chǎng)商也是經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的周期和無(wú)盡的努力才達(dá)到今天的技術(shù)水平。對(duì)于后來(lái)者來(lái)說(shuō)，這種成果也要付出艱苦卓絕的打拼，絕非一朝一夕所能達(dá)到。

對(duì)此，英特爾公司高級(jí)研發(fā)專(zhuān)家Timothy Mattson就指出: “當(dāng)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，軟件的工作就出現(xiàn)混亂的狀況，問(wèn)題的關(guān)鍵在于軟件，而不是硬件。”他同時(shí)表示，英特爾公司目前在這方面還沒(méi)有一個(gè)非常明確的計(jì)劃。

IBM公司深度計(jì)算部門(mén)副總裁Dave Turek不無(wú)驕傲地認(rèn)為，新型超級(jí)計(jì)算機(jī)BlueGene/P是“在解決和提高運(yùn)算能力的探索征程上邁出重要的一步”。他表示，一臺(tái)運(yùn)算速度極快的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以解決科學(xué)、工程、環(huán)境、工業(yè)、金融和國(guó)家安全等領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題，大到宇宙小到原子，超級(jí)計(jì)算機(jī)都能最大發(fā)揮其潛能，它能夠“真實(shí)地”模擬出原子核內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)情況，甚至能夠模擬地球的誕生乃至滅亡。

尤為值得稱(chēng)道的是，IBM在BlueGene系列超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)中，充分考慮了當(dāng)今IT業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)——能源使用和空間需求兩大問(wèn)題。與其他超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，BlueGene系列超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠適應(yīng)更小的安裝空間以及使用更少的電力能源。在新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)BlueGene/P的研發(fā)上，IBM更是將這一設(shè)計(jì)思路發(fā)揮至極致。按照IBM的說(shuō)法，BlueGene/P與其他一些超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，在能源效率方面至少提高了7倍。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

盡管兩代產(chǎn)品的間隔時(shí)間是如此之短，但是BlueGene/P和BlueGene/L之間還是存在著極大的不同。首先，BlueGene/P在每個(gè)芯片中采用了4顆處理器，處理器的主頻為850MHz，而B(niǎo)lueGene/L則在每個(gè)芯片中采用兩顆處理器，處理器的主頻也只有700MHz; 其次，BlueGene/P采用更多的內(nèi)存和新型的SMP模式（對(duì)稱(chēng)多處理，Symmetrical Multi Processing）來(lái)支持多線(xiàn)程應(yīng)用，這種SMP模式的最大好處在于，它能將BlueGene/P移植到一種類(lèi)似于商業(yè)集群的編程環(huán)境中; 再次，新型BlueGene/P超級(jí)計(jì)算機(jī)極大地?cái)U(kuò)展了連接網(wǎng)絡(luò)的性能，這樣可以最大程度地減少大型并行計(jì)算系統(tǒng)中固有的常見(jiàn)瓶頸，使整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力得到更進(jìn)一步的釋放; 最后，我們不能忽視的是BlueGene/P在軟件方面的變化，而軟件也是本次BlueGene/P的重要升級(jí)內(nèi)容，因?yàn)樵谛碌腂lueGene/P里，無(wú)論是系統(tǒng)管理、編程環(huán)境，還是應(yīng)用支持，都得到了全面的更新和升級(jí)。

顯然，在超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)上，IBM具有相當(dāng)深厚的功底。盡管BlueGene長(zhǎng)期霸占全球運(yùn)算速度第一的寶座，但是在半年前的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，IBM只有192臺(tái)系統(tǒng)上榜，而HP公司則有203臺(tái)系統(tǒng)入圍。不過(guò)在11月13日最新發(fā)布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，IBM重新奪回優(yōu)勢(shì)，共有232臺(tái)系統(tǒng)上榜，而HP減少為166臺(tái)。另外，從處理器的使用上來(lái)看，有261臺(tái)系統(tǒng)使用了英特爾處理器，AMD的皓龍?zhí)幚砥饕岔樌腭v113臺(tái)系統(tǒng)，較一年前有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

對(duì)于開(kāi)放源碼的推崇者來(lái)說(shuō)，他們也會(huì)非常高興地在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)的榜單中發(fā)現(xiàn)，有高達(dá)85%的系統(tǒng)使用了Linux，或許這就是超級(jí)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的未來(lái)走向吧！