2018-2019超級計算機研究報告概述篇目錄技術(shù)篇人才篇市場篇趨勢篇概述篇

超級計算機相關(guān)概念（1）什么是超級計算機？（2）超級計算機評價體系有哪些？（3）超級計算機有何研究價值？超級計算機發(fā)展脈絡(luò)

（1）國防驅(qū)動階段

（2）公司主導(dǎo)階段

（3）蓬勃發(fā)展階段

（4）多向發(fā)展階段典型超級計算機簡介

（1）Summit

（2）神威·太湖之光

（3）Sierra

現(xiàn)狀?

超級計算機當(dāng)前以每秒鐘浮點運算速度（flops）

為主要衡量單位。?

目前，超級計算機領(lǐng)域頂尖研究機構(gòu)正在針對E級

（Eflops=1018flops）系統(tǒng)的研發(fā)進行激烈競爭。?

Green500是針對超級計算機能效的排行榜。?

戈登·貝爾獎被認(rèn)為是超級計算應(yīng)用領(lǐng)域的諾貝爾獎。

超級計算機有何研究價值？?

超級計算機在天氣預(yù)測、污染檢測與防控、石

油氣勘探與地震預(yù)測、工程仿真、動畫效果渲

染等領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了不可估量的價值。等，在計算速度、存儲容量等方面有著普通

計算機所不具備的超高性能。.?……

1.1超級計算機相關(guān)概念

什么是超級計算機？?

超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機定義

概述篇超級計算機評價體系有哪些？?

TOP500是業(yè)界公認(rèn)的超級計算機性能排行榜。1.2超級計算機發(fā)展脈絡(luò)概述篇

國防驅(qū)動階段1950s——mid-1960s

軍事目標(biāo)下的

國家資助模式

公司主導(dǎo)階段mid-1960s——1970s

成本降低、

向量處理起步蓬勃發(fā)展階段

1980s——1990s

日本崛起、

并行計算流行

多向發(fā)展階段

21世紀(jì)以來

中國趕超、異構(gòu)集群系統(tǒng)奪魁1.3典型超級計算機簡介

最新

的超級計算https機

TOP500前三進行簡單

介紹

概述篇SummitSummit，代號“OLCF-4”，擅長人工智能、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方面的運算。神威·

太湖之光神威·

太湖之光是中國大陸首個不使用英特爾等美國公司的核心產(chǎn)品而登上TOP500第一名寶座的超級計算機。SierraSierra，代號ATS-2，是IBM為美國能源部下屬的勞倫斯利福摩爾國家實驗室建造的超級計算機。技術(shù)篇中間層：六類設(shè)備+三大網(wǎng)

絡(luò)

（1）六類設(shè)備

（2）三類網(wǎng)絡(luò)

（3）基本原理基礎(chǔ)層：以異構(gòu)并行為基礎(chǔ)

的超級計算機組成

（1）基本原理

（2）架構(gòu)分類

（3）最新發(fā)展應(yīng)用層：解決方案（1）石油氣勘探（2）生物醫(yī)藥與智能醫(yī)療

（3）工程仿真與航天器研發(fā)

（4）天氣預(yù)報與霧霾預(yù)警

（5）海洋環(huán)境工程

（6）建筑信息模型

（7）基礎(chǔ)科學(xué)研究超級計算機技術(shù)分層超級計算機技術(shù)有三個層次：基礎(chǔ)層、中間層和應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)層主要應(yīng)用層涉及超級計算機使用場景，而中間層則包含了數(shù)據(jù)存儲、計算、管理等多重技術(shù)支持，正是有了中間層的鏈接，超級計算機原理才能落實到應(yīng)用問題解決之中。技術(shù)篇2.1基礎(chǔ)層：以異構(gòu)并行為基礎(chǔ)的超級計算機組成

基本原理?

超級計算的基本原理是并行計算。?

超級計算的性能優(yōu)化之一是提高并行可

擴展性。目前來看，硬件層面并行化的

實現(xiàn)手段為：多重執(zhí)行單元等。

架構(gòu)分類?

當(dāng)今的超級計算機系統(tǒng)大多以MIMD方

式工作。?

按照并行計算方式存儲器是共享還是分

布，可以將超級計算機系統(tǒng)的架構(gòu)作如

下劃分：

最新發(fā)展?

自1996年以來，由于挑戰(zhàn)性應(yīng)用問題的

急切需求，加快了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演

變和發(fā)展進程。.?

進入21世紀(jì)之后，采用專用處理器或者

附屬加速處理器的方式加以實現(xiàn)。技術(shù)篇2.2

中間層：六類設(shè)備+三大網(wǎng)絡(luò)

六類設(shè)備

當(dāng)前HPC的主要架構(gòu)包括Cluster集群和

MPP（大規(guī)模并行處理）兩種，典型的

HPC集群系統(tǒng)主要由五類計算（或網(wǎng)絡(luò)）

設(shè)備和三類網(wǎng)絡(luò)組成。

技術(shù)篇

01.?

登錄節(jié)點，用戶通常登錄到這個節(jié)點

上編譯并提交作業(yè).

02.

?

管理節(jié)點，負(fù)責(zé)監(jiān)控各個節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)

運行狀況。03

?

計算節(jié)點，用于執(zhí)行計算，一般可以

分為瘦節(jié)點和胖節(jié)點04.?

異構(gòu)節(jié)點，目前的異構(gòu)節(jié)點通常同時

使用CPU及加速器設(shè)備

05.?

交換設(shè)備，集群節(jié)點之間需要通過網(wǎng)

絡(luò)連接在一起

06.

?

I/O設(shè)備和存儲設(shè)備，每臺執(zhí)行任務(wù)的

計算節(jié)點須訪問同樣的數(shù)據(jù)2.2

中間層：六類設(shè)備+三大網(wǎng)絡(luò)存儲網(wǎng)絡(luò)，需要向高性能計算機的節(jié)點提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

管理網(wǎng)絡(luò)，用于管理節(jié)點和各個計算節(jié)點、I/O節(jié)點的互聯(lián)。計算網(wǎng)絡(luò)，用于各計算節(jié)點之間的互聯(lián)，是并行任務(wù)執(zhí)行時進程間通信的

專用網(wǎng)絡(luò)。

三大網(wǎng)絡(luò)技術(shù)篇2.3

應(yīng)用層：解決方案1石油氣勘探3工程仿真與航天器研發(fā)2生物醫(yī)藥與智能醫(yī)療4天氣預(yù)報與霧霾預(yù)警5海洋環(huán)境工程6建筑信息模型技術(shù)篇7基礎(chǔ)科學(xué)研究

2.3

應(yīng)用層：解決方案

石油氣勘探

長期以來，油氣地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展與

應(yīng)用高度依賴于包括高性能計算技術(shù)在內(nèi)的

信息技術(shù)的發(fā)展。?

基于“天河一號”開展的石油勘探數(shù)據(jù)處理程

序，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下上千平方公里數(shù)據(jù)

的逆時偏移處理。?

解決方案與服務(wù)內(nèi)容包括：①測試服務(wù)；②偏

移處理服務(wù)，③應(yīng)用并行優(yōu)化開發(fā)服務(wù)。技術(shù)篇

生物醫(yī)藥與智能醫(yī)療依托高性能計算、云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)的高度發(fā)展，使國民健康行業(yè)走向真正意義上的智能化。

生物醫(yī)藥（Biological

Medicine）依托高性能計算相關(guān)科學(xué)研究和項目合作，可以整體提高行業(yè)和企業(yè)的競爭力。

智能醫(yī)療（Intelligent

Medical）通過打造醫(yī)療信息平臺等，結(jié)合大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)，提高臨床疾病的診斷效率和精度。案例：“天河一號”支持華大基因開展大規(guī)模生物基因處理及數(shù)據(jù)存儲：①開發(fā)了基于GPU的高效基因測序處理軟件，并利用該軟件進行了3000株水稻的基因組重測序分析2.3

應(yīng)用層：解決方案

工程仿真與航天器研發(fā)

工程仿真CAE利用計算機輔助求解力學(xué)性能的分析計算

結(jié)果。其核心思想是結(jié)構(gòu)離散化，得出滿足工程精度的

近似結(jié)果。案例：在航空發(fā)動機研制中，氣動穩(wěn)定性是最重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。技術(shù)篇

基礎(chǔ)科學(xué)研究

人們可以模擬越來越大規(guī)模的微觀系統(tǒng)，從而極大地增強了對

自然的認(rèn)知能力。用來模擬微觀世界中原子和分子的相互作用

和行為。案例案例：

①使用并行程序進行密度泛函理論（DFT）計算已經(jīng)成為材料

科學(xué)、固體物理、計算化學(xué)、計算生物學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)必不可少的

研究手段之一；

②并行實現(xiàn)的高精度耦合簇理論（CC）和組態(tài)相互作用（CI）

方法被許多量子化學(xué)計算程序采用，成為計算化學(xué)的主要工具；某型航空發(fā)動機內(nèi)部三維流動工程仿真效果圖2.3

應(yīng)用層：解決方案

天氣預(yù)報與霧霾預(yù)警

數(shù)值天氣預(yù)報將氣象數(shù)據(jù)和邊界參數(shù)導(dǎo)入方程求

解，從而預(yù)測大氣變化和狀態(tài)的科學(xué)。

技術(shù)篇?

業(yè)務(wù)流程大致為：氣象數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理、數(shù)值天氣預(yù)報流程、綜

合數(shù)值天氣預(yù)報、天氣學(xué)與統(tǒng)計學(xué)等輸出預(yù)報結(jié)果。它是典型的計

算密集型應(yīng)用（Computing-Intensive），

案例案例：國家超級計算長沙中心為中部某省氣象局提供了數(shù)值天氣預(yù)報計算的平臺支持，以提高天氣預(yù)報、氣候預(yù)測的及時性、準(zhǔn)確性、可靠性和精細(xì)化。

某型航空發(fā)動機內(nèi)部三維流動工程仿真效果圖2.3

應(yīng)用層：解決方案

海洋環(huán)境工程

從海洋環(huán)流數(shù)值模擬到空氣質(zhì)量實時監(jiān)測，再到海洋

災(zāi)害預(yù)報等，實現(xiàn)海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報的精確性。

技術(shù)篇?

廣州市香港科大霍英東研究院建立的CMOMS數(shù)值模擬系統(tǒng)，

為應(yīng)對中國海域及其附近海域的氣候變化提供參考與支持。

案例案例：“神威·

太湖之光”超級計算機實現(xiàn)了MASNUM海浪數(shù)值模擬的（1/60）°高分辨率的全球海洋模式，模式成功擴展到8,519,680核數(shù)，達(dá)到最高30.07Pflops的峰值性能。

利用“神威·

太湖之光“模擬的全球（a）與區(qū)域（b）重要海浪高度分布2.3

應(yīng)用層：解決方案

建筑信息模型

建筑信息模型（Building

Information

Modeling，簡

稱BIM）是一項將建筑與信息相結(jié)合的綜合技術(shù)。

技術(shù)篇?

通過高性能計算機系統(tǒng)對建筑過程中產(chǎn)生的主要數(shù)據(jù)進行存儲處理，

提高工程效率與質(zhì)量，為推動智慧城市的建設(shè)與發(fā)展起到重要作用。

案例案例：天河BIM云平臺以工程仿真系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)平臺和云平臺為依托，為產(chǎn)業(yè)園建設(shè)提供四類服務(wù)：①BIM遠(yuǎn)程可視化建模平臺，即可進行BIM遠(yuǎn)程可視化建模。②BIM協(xié)同設(shè)計服務(wù)，實現(xiàn)不同參與方、不同專業(yè)的多地點、實時協(xié)同工作。

遠(yuǎn)程可視化建模學(xué)者概況學(xué)者概況代表性研究學(xué)者

1學(xué)者分布圖

2學(xué)者統(tǒng)計圖

3h-index比例圖

4男女比例圖

5人才遷徙圖

1國外學(xué)者

2國內(nèi)學(xué)者人才篇學(xué)者概況國外學(xué)者國內(nèi)學(xué)者學(xué)者概況

以“supercomputer”為關(guān)鍵詞，對超級計算領(lǐng)域全球TOP1000的學(xué)者進行分析。由上圖可得：美國人才最多、最為集中，中國緊隨其后，英國等也有不少超級計算機人才。這與國家超級計算機發(fā)展水平呈正相關(guān)。全球?qū)W者分布圖人才篇學(xué)者概況

選取超級計算機領(lǐng)域排名TOP1000的專家學(xué)者的遷徙做了分析。

由上

圖可得，美國是超級計算機領(lǐng)域人才流動大國。英國、中國等國人才流動量落后于美國，英國和中國的人才流入量大于流出量，德國和加拿大有輕微的人才流失現(xiàn)象。全球?qū)W者遷徙圖人才篇學(xué)者概況全球超級計算機領(lǐng)域TOP學(xué)者h(yuǎn)-index指數(shù)h-index指數(shù)在10-19之間的學(xué)者人數(shù)次之，占比16.52%，h-index指數(shù)≥60和在50-59之間的學(xué)者人數(shù)最少，前者占比1.21%，后者占比0.71%。全球TOP1000學(xué)者h(yuǎn)-index分布圖人才篇67.17%16.52%

≤10的人數(shù)最多，占比67.17%，8.08%3.94%2.52%

1.21%0.71%≤1010-1920-2930-3940-49≥6050-59學(xué)者概況

全球?qū)W者男女比例圖

female

3%

male

97%

male

female全球超級計算機TOP學(xué)者男性占97%，女性占3%，男女人數(shù)相差懸殊。人才篇學(xué)者概況由全國學(xué)者分布圖放大后，繪制了該領(lǐng)域?qū)W者的中國分布地圖。由圖可知：超級計算機學(xué)者在中國集中于北京及廣州等地方。中國學(xué)者分布圖人才篇國外學(xué)者

Jack

Dongarra美國田納西大學(xué)電子工程和計算機科學(xué)系的計算機科學(xué)杰出教授。在曼徹斯特大學(xué)的計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)院擁有圖靈獎學(xué)金。

Ian

T.Foster新西蘭裔美國人計算機科學(xué)家。數(shù)據(jù)科學(xué)與學(xué)習(xí)部門的主任，也是芝加哥大學(xué)計算機科學(xué)系的教授。

Marc

Snir以色列美國計算機科學(xué)家。擅長計算復(fù)雜性、并行算法、并行體系結(jié)構(gòu)、互連網(wǎng)絡(luò)等細(xì)分領(lǐng)域。Bronis

R.De

Supinski

勞倫斯利弗莫爾國家實

驗室項目的首席技術(shù)官，

主要研究包括數(shù)據(jù)挖掘

技術(shù)及其在性能分析和

建模上的應(yīng)用國外代表性研究學(xué)者Satoshi

Matsuoka

日本東京工業(yè)大學(xué)教

授，研究大型超級計

算機和類似基礎(chǔ)設(shè)施

的系統(tǒng)軟件。曾獲得

“戈登·

貝爾”獎人才篇國內(nèi)學(xué)者

楊廣文清華大學(xué)博導(dǎo)，高性能計算技術(shù)研究所所長、計算機系學(xué)術(shù)委員會副主任。他擅長分布式信息服務(wù)與集成技術(shù)等，曾獲

“戈登·

貝爾”獎。

廖湘科現(xiàn)任國防科技大學(xué)計算機學(xué)院院長、天河二號總設(shè)計師。長期從事高性能計算機系統(tǒng)軟件與通用操作系統(tǒng)的科研工作。

錢德沛北京航空航天大學(xué)教授，中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機學(xué)院院長、教授。研究高性能計算機體系結(jié)構(gòu)、分布式系統(tǒng)等。

王恩東中國工程院院士，高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室主任。在開放計算領(lǐng)域都達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)代表性研究學(xué)者

楊超中國科學(xué)院軟件研究所研究員，榮獲

“戈登·貝爾”獎。在大氣動力學(xué)模擬的全隱式求解器算法和軟件研究方面辛勤耕耘。人才篇市場篇各國排名進入TOP500的計算

機數(shù)量情況超級計算機TOP500前十的

情況各國排名進入TOP500的計算機數(shù)量情況（2018年6月）排名國家和地區(qū)排名進入TOP500的計算機數(shù)量所占百分比處理器總數(shù)1中國20641.2%25,107,6802美國12424.8%15,829,7203日本367.2%7,170,4084英國224.4%1,678,2205德國214.2%1,422,8146法國183.6%1,816,7207荷蘭91.8%424,8008韓國71.4%843,3009愛爾蘭71.4%334,824國際高性能計算大會榜單由榜單可得，中國已成為全球擁有最多超級計算機的國家，全球TOP500的超級計算機中，有206臺是中國研制，美國則擁有124臺。市場篇2018年6月超級計算機TOP500前十排名名稱國家場所供應(yīng)商1Summit美國橡樹嶺國家實驗室國際商業(yè)機器公司2神威·太湖之光中國國家超級計算無錫中心國家并行計算機工程技術(shù)研究中心3Sierra美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室國際商業(yè)機器公司4天河-2