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1、高性能计算机讲义本讲稿第一页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）22022/10/20目录1.1.计算和计算机科学计算和计算机科学 计算科学与计算机科学计算科学与计算机科学 计算与计算机科学的特计算与计算机科学的特点、地位、与作用点、地位、与作用 计算与计算机科学的基计算与计算机科学的基本研究内容本研究内容 计算和计算机科学的应计算和计算机科学的应用用2.2.高性能计算学科高性能计算学科 高性能计算高性能计算 硬件硬件 算法算法 软件软件 应用应用 教育与人才培养教育与人才培养3.3.建立计算机科学发展的建立计算机科学发展的“生态系统生态系统”WHATWHAT：什么是计算机科学发：什么是计算
2、机科学发展的展的“生态系统生态系统”？WHYWHY：为什么要维持平衡的：为什么要维持平衡的“生态系统生态系统”？HOWHOW：如何建立计算机科学发：如何建立计算机科学发展的展的“生态系统生态系统”？4.4.结论结论 名人名言名人名言 科学发现与竞争的计算机科学支科学发现与竞争的计算机科学支撑基础撑基础 简短结论简短结论本讲稿第二页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）32022/10/201、计算与计算机科学(1)计算科学计算科学 定义：定义：定义：定义：计算科学是应用计算能力解决真实问题的一门学科。计算科学是应用计算能力解决真实问题的一门学科。科学发现的第三支柱：科学发现的第三支柱：科学发现
3、的第三支柱：科学发现的第三支柱：计算科学、理论科学与实验科学并列成计算科学、理论科学与实验科学并列成为科学发现的三大支柱。该说法已被科学文献广泛引用，并在为科学发现的三大支柱。该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告和承认。美国得到国会听证、联邦和私人企业报告和承认。计算机科学计算机科学直观定义：直观定义：直观定义：直观定义：计算机科学的含意是强调算法和软件、硬件和系统、计算机科学的含意是强调算法和软件、硬件和系统、应用技术基础等。应用技术基础等。计算科学与计算机科学的关系：计算科学与计算机科学的关系：计算科学与计算机科学的关系：计算科学与计算机科学的关系：计算机科
4、学是计算科学的核心计算机科学是计算科学的核心和重要组成部分，两者密切相关，且它们所涵盖的内容有颇多和重要组成部分，两者密切相关，且它们所涵盖的内容有颇多的重叠。的重叠。1.1 计算科学与计算机科学本讲稿第三页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）42022/10/201、计算与计算机科学(2)特点特点 知识强度高知识强度高(涉及面广涉及面广)、应用面广、应用面广(无处不在的学科无处不在的学科)、有益于其它所有研究领域、有益于其它所有研究领域和无政治色彩的中性学科。和无政治色彩的中性学科。地位与作用地位与作用科学发现和人类社会文明进步的科学发现和人类社会文明进步的第三支柱第三支柱第三支柱第三支柱
5、。具有促进其它学科发展的具有促进其它学科发展的基础作用基础作用基础作用基础作用：2121世纪科学上最重要的和经济上最有前途的研究世纪科学上最重要的和经济上最有前途的研究前沿，有可能通过熟练掌握和运用先进的计算技术科学获得解决。前沿，有可能通过熟练掌握和运用先进的计算技术科学获得解决。具有解决具有解决2121世纪重大科学问题的世纪重大科学问题的综合作用综合作用综合作用综合作用：有助于研究交叉学科的相互影响；越：有助于研究交叉学科的相互影响；越来越多的新科学发现位于传统学科的交叉之处，而计算科学除了计算外，它能综合地研来越多的新科学发现位于传统学科的交叉之处，而计算科学除了计算外，它能综合地研究这
6、种多学科问题。究这种多学科问题。是是2121世纪科学与工程发现的世纪科学与工程发现的最普遍模式最普遍模式最普遍模式最普遍模式：当今科学与工程的特点是计算性和多学科性，：当今科学与工程的特点是计算性和多学科性，计算科学的贡献是通过多学科结合来解决问题。计算科学的贡献是通过多学科结合来解决问题。1.2 计算和计算机科学的特点、地位与作用本讲稿第四页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）52022/10/201、计算与计算机科学(3)算法与软件算法与软件 计算理论与计算方法，算法设计与分析，算法实现与编程。计算理论与计算方法，算法设计与分析，算法实现与编程。系统软件系统软件(编译和编译和OS)OS)
7、，应用软件，应用软件(开发工具与环境开发工具与环境)。程序设计和语言，软件工程与技术。程序设计和语言，软件工程与技术。硬件与系统硬件与系统定制与商用现成技术定制与商用现成技术(COTS)(COTS)的高性能微处理器。的高性能微处理器。新型和混合式先进体系结构及其性能评价。新型和混合式先进体系结构及其性能评价。I/OI/O和存储设备，电源，冷却和封装等。和存储设备，电源，冷却和封装等。1.3 计算和计算机科学基本研究内容（1）本讲稿第五页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）62022/10/201、计算与计算机科学(4)应用基础应用基础系统建模和计算机模拟：系统建模和计算机模拟：系统建模和计算
8、机模拟：系统建模和计算机模拟：计算数学家、计算机科学家、应用领计算数学家、计算机科学家、应用领域专家共同对应用问题建立物理数学模型和施行计算机模拟。域专家共同对应用问题建立物理数学模型和施行计算机模拟。网络技术：网络技术：网络技术：网络技术：包括快速、安全地提供计算资源、数据资源、用户包括快速、安全地提供计算资源、数据资源、用户接口标准以及异构组网接口标准以及异构组网(光网、电网、无线网等光网、电网、无线网等)技术。技术。数据分析、管理和可视化：数据分析、管理和可视化：数据分析、管理和可视化：数据分析、管理和可视化：包括各种数据密集型计算应用的数包括各种数据密集型计算应用的数据挖掘、存储、检索
9、、处理、分析、管理和科学计算可视化等。据挖掘、存储、检索、处理、分析、管理和科学计算可视化等。各种常用应用使能各种常用应用使能各种常用应用使能各种常用应用使能(enabling)(enabling)技术技术技术技术(网格产生、问题求解器、模网格产生、问题求解器、模版与可重用软件等版与可重用软件等)，确保计算科学在不同应用领域中的成功有，确保计算科学在不同应用领域中的成功有效应用。效应用。1.3计算和计算机科学基本研究内容(2）本讲稿第六页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）72022/10/201、计算与计算机科学(5)从传统应用到新兴应用从传统应用到新兴应用历史上，物理和工程科学是计算和计
10、算机科学应用历史上，物理和工程科学是计算和计算机科学应用驱动者驱动者驱动者驱动者。现今，像生物科学现今，像生物科学(从基于实验发展为基于计算、从个体研从基于实验发展为基于计算、从个体研究发展为跨学科研究、从注意数值技术发展为生物医学计算究发展为跨学科研究、从注意数值技术发展为生物医学计算方法等方法等 )等是计算和计算机科学的等是计算和计算机科学的受益者受益者受益者受益者。将来，社会科学和人文科学则是计算和计算机科学的主要将来，社会科学和人文科学则是计算和计算机科学的主要消费者消费者消费者消费者。1.4 计算和计算机科学的应用(1)本讲稿第七页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）82022/1
11、0/201、计算与计算机科学(6)应用实例应用实例社会科学社会科学社会经济学：社会经济学：社会经济学：社会经济学：利用宏观经济理论和计算经济学利用宏观经济理论和计算经济学(行为方程行为方程)来模拟经济来模拟经济活动，施行动态调整平衡，预测货币政策变化所带来的经济含义，活动，施行动态调整平衡，预测货币政策变化所带来的经济含义，修正改变金融政策来防止经济动荡。修正改变金融政策来防止经济动荡。社会行为科学：社会行为科学：社会行为科学：社会行为科学：当社会和行为科学家面临巨大的数据需要理解和当社会和行为科学家面临巨大的数据需要理解和保护这些数据时，社会科学家和计算科学家加强合作是最有利的；保护这些数据
12、时，社会科学家和计算科学家加强合作是最有利的；社会科学家可帮助计算科学家理解在社会生态系统中怎样运用计社会科学家可帮助计算科学家理解在社会生态系统中怎样运用计算机科学；行为科学家也能帮助计算机科学家开发良好的人机交算机科学；行为科学家也能帮助计算机科学家开发良好的人机交互模型；心理学家和语言学家同计算机科学家合作，能联合开发互模型；心理学家和语言学家同计算机科学家合作，能联合开发易于理解、使用和语言翻译的计算机程序，等等。易于理解、使用和语言翻译的计算机程序，等等。主体经济学：主体经济学：主体经济学：主体经济学：通过相互作用主体通过相互作用主体(包括个体、社会群体、机构、生物包括个体、社会群体
13、、机构、生物实体、物质实体等实体、物质实体等)动态系统建模来研究经济现象和规律，以达到理解动态系统建模来研究经济现象和规律，以达到理解以往的经验和规范作用，定量分析和发展理论以及改进方法等之目以往的经验和规范作用，定量分析和发展理论以及改进方法等之目的。的。1.4 计算和计算机科学的应用（2）本讲稿第八页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）92022/10/201、计算与计算机科学(7)物理科学物理科学挖掘资料发现新星球挖掘资料发现新星球挖掘资料发现新星球挖掘资料发现新星球(褐矮星褐矮星褐矮星褐矮星)：美国国家虚拟观测站的计算机科学美国国家虚拟观测站的计算机科学家用计算机搜索家用计算机搜索(
14、约约2 2分钟分钟)两个天文数据库中数百万天体的资料时发现了两个天文数据库中数百万天体的资料时发现了它，它是研究人员在演示软件的可行性时无意发现的，是天文界惊人的它，它是研究人员在演示软件的可行性时无意发现的，是天文界惊人的精确发现。精确发现。超新星建模：超新星建模：超新星建模：超新星建模：伽利略观察巨大星球爆炸伽利略观察巨大星球爆炸500500年后，人们对超新星年后，人们对超新星(比太比太阳至少大阳至少大1010倍倍)中心坍塌的爆炸机制仍不清楚。最近许多物理学中心坍塌的爆炸机制仍不清楚。最近许多物理学家和计算科学家用一维、二维、三维程序来模拟此现象，有可家和计算科学家用一维、二维、三维程序来
15、模拟此现象，有可能提高对此现象的认识和增加对宇宙特性的理解。能提高对此现象的认识和增加对宇宙特性的理解。暗物质与暗能量：暗物质与暗能量：暗物质与暗能量：暗物质与暗能量：最近宇宙科学家发现宇宙在加速膨胀，这与爱最近宇宙科学家发现宇宙在加速膨胀，这与爱因斯坦广义相对论理论物质行为相反，宇宙科学家猜想，除暗物因斯坦广义相对论理论物质行为相反，宇宙科学家猜想，除暗物质外，宇宙也可能包含暗能量，此能量将引力作为排斥力，从而质外，宇宙也可能包含暗能量，此能量将引力作为排斥力，从而导致加速膨胀，美国芝加哥大学天文学家用扩展版导致加速膨胀，美国芝加哥大学天文学家用扩展版FLASHFLASH程序模程序模拟了宇宙
16、的能力。拟了宇宙的能力。1.4 计算和计算机科学的应用（3）本讲稿第九页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）102022/10/201、计算与计算机科学(8)工程与制造工程与制造微气泡和船舶降阻：微气泡和船舶降阻：微气泡和船舶降阻：微气泡和船舶降阻：很久以来，研究人员已经知道其体积约在很久以来，研究人员已经知道其体积约在5050050500微米之间的微气泡，在一些情形下可减少船舶微米之间的微气泡，在一些情形下可减少船舶80%80%的阻力、减的阻力、减少燃料消耗、增加航程。但是人们还不能确定最佳微气泡系统的特性，少燃料消耗、增加航程。但是人们还不能确定最佳微气泡系统的特性，该在哪里加入、加入多
17、少和加入多大的气泡。美国布朗大学通过使用高该在哪里加入、加入多少和加入多大的气泡。美国布朗大学通过使用高性能计算机系统，采用新的微气泡计算模型，可降低跟踪少量的微气泡性能计算机系统，采用新的微气泡计算模型，可降低跟踪少量的微气泡移动来寻找降低阻力的方法。移动来寻找降低阻力的方法。航空系统的高性能计算：航空系统的高性能计算：航空系统的高性能计算：航空系统的高性能计算：在今天的航空中，飞机采用在今天的航空中，飞机采用2020世纪世纪3030年代设计的无线电导航台导航，它沿着固定航线飞行，不能直接地年代设计的无线电导航台导航，它沿着固定航线飞行，不能直接地点到点飞行，这导致飞机的源点到点飞行，这导致
18、飞机的源-目的路径要远目的路径要远10%10%。解决此问题的有。解决此问题的有效办法是使用高性能计算机来实时地预计飞机冲突和调整航班变化。效办法是使用高性能计算机来实时地预计飞机冲突和调整航班变化。1.4 计算和计算机科学的应用（4）本讲稿第十页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）112022/10/201、计算与计算机科学(9)生物学生物学解码蜜蜂通信：解码蜜蜂通信：解码蜜蜂通信：解码蜜蜂通信：使用数码录像机记录蜜蜂之间的通信，研究人员发现使用数码录像机记录蜜蜂之间的通信，研究人员发现一些蜜蜂使用声音编码来传达关于食物位置的信息，这种编码能阻止其一些蜜蜂使用声音编码来传达关于食物位置的信息
19、，这种编码能阻止其它的蜜蜂种类拦截此信息。使用数码录像机需要存储和读取巨大的数据它的蜜蜂种类拦截此信息。使用数码录像机需要存储和读取巨大的数据量量(上万亿位上万亿位)，使用网络系统，便于广布在各地区的科学家们访问，使用网络系统，便于广布在各地区的科学家们访问和分析记录蜜蜂行为的数以万帧计的录像，以便帮助解释特定种和分析记录蜜蜂行为的数以万帧计的录像，以便帮助解释特定种群适应环境的进化，保证种群继续繁荣。群适应环境的进化，保证种群继续繁荣。蛋白质动力学：蛋白质动力学：蛋白质动力学：蛋白质动力学：以前蛋白质合成物被视为静态的实体，根据在成份之以前蛋白质合成物被视为静态的实体，根据在成份之间的直接交
20、互作用来了解生物学的功能；现在基于计算机模拟，蛋白质间的直接交互作用来了解生物学的功能；现在基于计算机模拟，蛋白质被视为有效率的分子机器，活跃的动态与它们的结构与功能密切联系，被视为有效率的分子机器，活跃的动态与它们的结构与功能密切联系，通过在超级计算机上使用并行方法和优化分子动力学程序来更好地理解通过在超级计算机上使用并行方法和优化分子动力学程序来更好地理解蛋白质动力学行为，这对蛋白质工程学和改进药物设计等具有广泛的意蛋白质动力学行为，这对蛋白质工程学和改进药物设计等具有广泛的意义。义。1.4 计算和计算机科学的应用（5）本讲稿第十一页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）122022/10
21、/201、计算与计算机科学(10)国家安全国家安全信息情报：信息情报：信息情报：信息情报：它是收集国外敌对势力、组织与个人以及电子通信信它是收集国外敌对势力、组织与个人以及电子通信信息，这些在反间谍活动、反恐怖分子或犯罪活动中能发挥重要作息，这些在反间谍活动、反恐怖分子或犯罪活动中能发挥重要作用。在截取、过滤、分析和存储巨大数据方面，超级计算机和并用。在截取、过滤、分析和存储巨大数据方面，超级计算机和并行计算技术具有绝对优势，包括攻克敌人的复杂密码系统、重建行计算技术具有绝对优势，包括攻克敌人的复杂密码系统、重建和还原不完全和遭受破坏的信息等。解决信息情报问题与解决科和还原不完全和遭受破坏的信
22、息等。解决信息情报问题与解决科学工程问题所使用的计算方法完全不同。学工程问题所使用的计算方法完全不同。传染病传播动态建模：传染病传播动态建模：传染病传播动态建模：传染病传播动态建模：根据遭受的苦难以及所产生的社会与经济根据遭受的苦难以及所产生的社会与经济后果，传染病对人类和动物的影响是巨大的。借助数学和计算机后果，传染病对人类和动物的影响是巨大的。借助数学和计算机科学研究传染病的空间和时间传播机制和特征，帮助我们预测、科学研究传染病的空间和时间传播机制和特征，帮助我们预测、制定和评估控制策略，并通过模拟程序提供虚拟场景，帮助人们制定和评估控制策略，并通过模拟程序提供虚拟场景，帮助人们面对流行疾
23、病时，应采取的紧急措施和最有效的隔离决策等。面对流行疾病时，应采取的紧急措施和最有效的隔离决策等。强风暴预测：强风暴预测：强风暴预测：强风暴预测：强风暴每年给国家带来的经济损失和人员伤亡是巨强风暴每年给国家带来的经济损失和人员伤亡是巨大的，由于不准确和缺乏时间性，约有大的，由于不准确和缺乏时间性，约有3/43/4的龙卷风警报被证明的龙卷风警报被证明是无效的。美国俄克拉荷马州立大学研究人员使用匹兹堡的超级是无效的。美国俄克拉荷马州立大学研究人员使用匹兹堡的超级计算机模拟过去所发生的大型龙卷风，首次模拟了整个暴风雨，计算机模拟过去所发生的大型龙卷风，首次模拟了整个暴风雨，真实地再现了完整的龙卷风发
24、展过程。真实地再现了完整的龙卷风发展过程。1.4 计算和计算机科学的应用（6）本讲稿第十二页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）132022/10/20目录1.1.计算和计算机科学计算和计算机科学 计算科学与计算机科学计算科学与计算机科学 计算与计算机科学的特计算与计算机科学的特点、地位、与作用点、地位、与作用 计算与计算机科学的基计算与计算机科学的基本研究内容本研究内容 计算和计算机科学的应计算和计算机科学的应用用2.2.高性能计算学科高性能计算学科 高性能计算高性能计算 硬件硬件 算法算法 软件软件 应用应用 教育与人才培养教育与人才培养3.3.建立计算机科学发展的建立计算机科学发展的“
25、生生态系统态系统”WHATWHAT：什么是计算机科学发展：什么是计算机科学发展的的“生态系统生态系统”？WHYWHY：为什么要维持平衡的：为什么要维持平衡的“生态系统生态系统”？HOWHOW：如何建立计算机科学：如何建立计算机科学发展的发展的“生态系统生态系统”？4.4.结论结论 名人名言名人名言 科学发现与竞争的计算机科学科学发现与竞争的计算机科学支撑基础支撑基础 简短结论简短结论本讲稿第十三页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）142022/10/202.高性能计算学科(1)高性能计算的含意高性能计算的含意 通俗地讲，高性能计算就是一种通俗地讲，高性能计算就是一种性能性能性能性能(包括计
26、算速度、存储容量、包括计算速度、存储容量、通信性能、运算量、计算的复杂程度和计算效率等通信性能、运算量、计算的复杂程度和计算效率等)很高很高很高很高的一类的一类计算，泛指向量计算、并行计算、分布式网络计算、网格元计计算，泛指向量计算、并行计算、分布式网络计算、网格元计算等。算等。高性能计算的类型高性能计算的类型计算密集型：计算密集型：计算密集型：计算密集型：主要是科学工程数值计算，如大型复杂的科学工主要是科学工程数值计算，如大型复杂的科学工程应用问题的计算等。程应用问题的计算等。数据密集型：数据密集型：数据密集型：数据密集型：主要是海量数据处理，如数字图书馆、数据仓库、主要是海量数据处理，如数
27、字图书馆、数据仓库、科学计算可视化等。科学计算可视化等。通信密集型：通信密集型：通信密集型：通信密集型：主要是协同计算，如网格服务计算、远程医疗诊主要是协同计算，如网格服务计算、远程医疗诊断等。断等。2.1 高性能计算(1)本讲稿第十四页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）152022/10/202.高性能计算学科(2)高性能计算的高性能计算的战略意义战略意义战略意义战略意义 高性能计算是一个高性能计算是一个国家的综合实力国家的综合实力国家的综合实力国家的综合实力体现。体现。对国家安全、科学探索、经济建设、国民健康等具有重要的深对国家安全、科学探索、经济建设、国民健康等具有重要的深远的意义。
28、远的意义。为国家的变革、解决国家级难题、提升竞争力、改善全民生活为国家的变革、解决国家级难题、提升竞争力、改善全民生活质量等将会做出积极的贡献。质量等将会做出积极的贡献。高性能计算发展的高性能计算发展的主要驱动力主要驱动力主要驱动力主要驱动力以前，国家安全一直是驱动高性能计算工业及其发展的动力。以前，国家安全一直是驱动高性能计算工业及其发展的动力。现今，政府和企业界也都开始关注超级计算机研制及其工业的现今，政府和企业界也都开始关注超级计算机研制及其工业的发展。发展。2.1 高性能计算(2)本讲稿第十五页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）162022/10/202.高性能计算学科(3)高性能
29、计算发展的高性能计算发展的主要障碍主要障碍主要障碍主要障碍 认为高性能计算只是花钱而不能投资回报的产业。认为高性能计算只是花钱而不能投资回报的产业。缺乏能够使用高性能计算或积极探索其潜力的人才。缺乏能够使用高性能计算或积极探索其潜力的人才。使用目前的高性能计算的硬件、软件、算法、编程工具等方面使用目前的高性能计算的硬件、软件、算法、编程工具等方面存在着较大的困难。存在着较大的困难。提高使用高性能计算机提高使用高性能计算机效率的要素效率的要素效率的要素效率的要素改善使用高性能计算机的网络环境。改善使用高性能计算机的网络环境。加大对计算数学、计算机算法、计算机软件等方面的研究。加大对计算数学、计算
30、机算法、计算机软件等方面的研究。培训科学计算等方面的专门人才。培训科学计算等方面的专门人才。增加对研究基础设施的投资强度。增加对研究基础设施的投资强度。2.1 高性能计算(3)本讲稿第十六页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）172022/10/202.高性能计算学科(4)美国有关发展高性能计算的建议报告美国有关发展高性能计算的建议报告从从从从19821982年到年到年到年到20052005年年年年，美国国防部、能源部、国家科学院、国，美国国防部、能源部、国家科学院、国家科学基金委以及美国总统信息技术顾问委员会、美国信息技家科学基金委以及美国总统信息技术顾问委员会、美国信息技术咨询委员会、美
31、国国家竞争力委员会等提出的有关信息技术术咨询委员会、美国国家竞争力委员会等提出的有关信息技术和计算机的建议报告中，大都涉及到了高性能超级计算机的内和计算机的建议报告中，大都涉及到了高性能超级计算机的内容。容。2.1 高性能计算(4)本讲稿第十七页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）182022/10/202.高性能计算学科(5)清单清单(按年代排序按年代排序)19821982年，美国国家科学院：年，美国国家科学院：关于科学研究及工程中的大规模计算关于科学研究及工程中的大规模计算19931993年，美国国家科学院：年，美国国家科学院：从台式计算机到万亿次计算机：充分发挥美国在高性能计算领域领导
32、从台式计算机到万亿次计算机：充分发挥美国在高性能计算领域领导权权19951995年，美国国家科学院：年，美国国家科学院：特别工作组关于未来国家科学基金委超级计算中心特别工作组关于未来国家科学基金委超级计算中心计划报告计划报告19961996年，美国总统信息技术顾问委员会：年，美国总统信息技术顾问委员会：信息技术研究：为了未来信息技术研究：为了未来20002000年，美国国家科学院：年，美国国家科学院：促使信息技术更好促使信息技术更好20012001年，美国国家科学院：年，美国国家科学院：无处不在无处不在20022002年，美国国防部：年，美国国防部：适用于国家安全部门的高性能计算适用于国家安全
33、部门的高性能计算20032003年，美国能源部：年，美国能源部：基于科学的大规模模拟基于科学的大规模模拟20032003年，美国国家科学基金委：年，美国国家科学基金委：通过计算机基础结构变革科学与工程通过计算机基础结构变革科学与工程20032003年，美国国家科学基金委：年，美国国家科学基金委：信息时代的知识丢失信息时代的知识丢失20042004年，美国国家竞争力委员会：年，美国国家竞争力委员会：促使美国变革并提高竞争力促使美国变革并提高竞争力20042004年，美国跨机构：年，美国跨机构：联邦高端计算计划高端计算复兴特别工作组联邦高端计算计划高端计算复兴特别工作组20052005年，美国国家
34、科学院：年，美国国家科学院：超级计算机未来超级计算机未来20052005年，美国总统信息技术顾问委员会：年，美国总统信息技术顾问委员会：计算科学：确保美国竞争力计算科学：确保美国竞争力2.1 高性能计算(5)本讲稿第十八页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）192022/10/202.高性能计算学科(6)美国发展有关高性能计算的行动计划美国发展有关高性能计算的行动计划19931993年，美国科学工程技术联邦协调理事会：年，美国科学工程技术联邦协调理事会：HPCC(High HPCC(High performance Computing&Communication)Grand performa
35、nce Computing&Communication)Grand ChallengeChallenge计划，提出发展万亿次计划，提出发展万亿次(Tera=10(Tera=101212)计算机计划。计算机计划。19961996年，美国能源部和年，美国能源部和Lawrence LivermoreLawrence Livermore、Los AlamosLos Alamos、SandiaSandia三大核武器国家实验室：三大核武器国家实验室：ASIC(Accelerated ASIC(Accelerated Strategic Computing Initiative)Strategic Comp
36、uting Initiative)计划，提出发展千万亿次计划，提出发展千万亿次(Pera=10(Pera=101515)计算机的目标。计算机的目标。19971997年，年，HPCCHPCC包括了包括了HECC(High End Computing&HECC(High End Computing&Communication),Communication),被扩展为被扩展为CIC(Computing,Information,CIC(Computing,Information,Communication)Communication)计划。计划。19981998年度的年度的CICCIC蓝皮书，将千万亿
37、次计算机硬件和软件研制列蓝皮书，将千万亿次计算机硬件和软件研制列入了计划中。入了计划中。20022002年启动年启动HPCSHPCS计划，希望确定未来计划，希望确定未来1010到到2020年超级计算机的年超级计算机的体系结构。体系结构。2.1 高性能计算(6)本讲稿第十九页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）202022/10/202.高性能计算学科(7)历史的回顾：借鉴历史，我们必须长期持久地开展能确保解决杀手应用、速度最历史的回顾：借鉴历史，我们必须长期持久地开展能确保解决杀手应用、速度最快、能力最强的高端计算机系统的研究，建立先进的新型计算机系统原型。快、能力最强的高端计算机系统的研究
38、，建立先进的新型计算机系统原型。美国国防先进研究计划署美国国防先进研究计划署(DARPA)(DARPA)在在2020世纪世纪7070年代曾资助了年代曾资助了ARPAnetARPAnet和和Illiac4Illiac4阵列计算机项目，取得了历史性成就。阵列计算机项目，取得了历史性成就。2020世纪世纪8080年代和年代和9090年代，美国年代，美国DARPADARPA布署了新的并行体系结构和先进原型方面的布署了新的并行体系结构和先进原型方面的研究，并为美国国家科学基金委研究，并为美国国家科学基金委(NSF)(NSF)、能源部、能源部(DOE)(DOE)、国家航空航天局、国家航空航天局(NASA)
39、(NASA)等等研究机构提供基础设施和资助在并行算法、软件工具和技术、先进科学应用等方面的研研究机构提供基础设施和资助在并行算法、软件工具和技术、先进科学应用等方面的研究。遗憾的是，究。遗憾的是，DARPADARPA后来终止了该计划，导致了持续至今的体系结构研究几后来终止了该计划，导致了持续至今的体系结构研究几乎空白。乎空白。2020世纪世纪9090年代，当学术界不慎重地宣判向量机退出历史平台年代，当学术界不慎重地宣判向量机退出历史平台时，随后日本研制的向量结构的地球模拟器却连续时，随后日本研制的向量结构的地球模拟器却连续5 5次占据了次占据了世界高性能计算机世界高性能计算机500500强的首
40、位。我们要认真学习向量机的发强的首位。我们要认真学习向量机的发展、兴衰历史教训，要得到有效的计算机体系结构，道路是曲展、兴衰历史教训，要得到有效的计算机体系结构，道路是曲折反复的，投资是长久持续的折反复的，投资是长久持续的!2.2 硬件(1)本讲稿第二十页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）212022/10/202.高性能计算学科(8)高性能计算机体系结构的高性能计算机体系结构的发展新趋势发展新趋势发展新趋势发展新趋势进入进入2121世纪后，在世纪后，在20032003年年1111月月TOP500TOP500排名时，美国弗吉尼亚排名时，美国弗吉尼亚工学院一群师生采用商用部件花了工学院一群师
41、生采用商用部件花了4 4个月时间自制了排名第个月时间自制了排名第3 3的的系统系统X X，这导致了高性能计算机的，这导致了高性能计算机的“平民化平民化”，此后高性能机，此后高性能机群系统名声大振。群系统名声大振。进入进入2121世纪后世纪后(从从20022002年开始一直到年开始一直到20042004年年6 6月月)，世界，世界TOP500TOP500排名时，日本并行机向量地球模拟器连续次居榜首，排名时，日本并行机向量地球模拟器连续次居榜首，这启示我们，机群和这启示我们，机群和MPPMPP结构不是高性能计算机的最终体系结结构不是高性能计算机的最终体系结构。构。美国从美国从20022002年启动
42、了高性能计算系统年启动了高性能计算系统HPCS(High HPCS(High productivity Computing Systems)productivity Computing Systems)计划，希望确定未来计划，希望确定未来1010年年甚至甚至2020年的高性能计算机体系结构，它以高效能而非峰值计算年的高性能计算机体系结构，它以高效能而非峰值计算能力作为评价机器指标，从此开始了高性能计算的一个创新时能力作为评价机器指标，从此开始了高性能计算的一个创新时代。代。2.2 硬件(2)本讲稿第二十一页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）222022/10/202.高性能计算学科(9)高
43、性能计算机工业现状高性能计算机工业现状英特网的普及发展和商业计算机的迅速增长，转移了适用于科英特网的普及发展和商业计算机的迅速增长，转移了适用于科学工程计算和国家政府需求的高端计算机工业发展的注意力。学工程计算和国家政府需求的高端计算机工业发展的注意力。高端计算机市场太小，无法引起工业界的兴趣。高端计算机市场太小，无法引起工业界的兴趣。高端计算机的采购量远远小于服务器采购量，高性能计算机工高端计算机的采购量远远小于服务器采购量，高性能计算机工业缺少市场驱动力。业缺少市场驱动力。总结经验，高性能计算机工业生产，主要是政府行为，而不能总结经验，高性能计算机工业生产，主要是政府行为，而不能过于依赖市
44、场行为过于依赖市场行为。2.2 硬件(3)本讲稿第二十二页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）232022/10/202.高性能计算学科(10)计算方法与计算机算法计算方法与计算机算法数值计算方法：数值计算方法：数值计算方法：数值计算方法：根据应用问题的数学物理模型，研究求解问题根据应用问题的数学物理模型，研究求解问题的离散计算原理和方法，侧重于研究计算方法的稳定性、收敛的离散计算原理和方法，侧重于研究计算方法的稳定性、收敛性和求解精度等。性和求解精度等。计算机算法：计算机算法：计算机算法：计算机算法：在计算机上求解给定应用问题的方法和步骤。通在计算机上求解给定应用问题的方法和步骤。通常使用
45、某种程序设计语言，对所设计的算法编程运行在具体的常使用某种程序设计语言，对所设计的算法编程运行在具体的机器上而实现问题的求解。机器上而实现问题的求解。2.3 算法(1)本讲稿第二十三页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）242022/10/202.高性能计算学科(11)算法的进展与莫尔定律算法的进展与莫尔定律莫尔定律莫尔定律莫尔定律莫尔定律(Moore(Moore s Law):s Law):处理器的性能大约每处理器的性能大约每1818个月番一番。个月番一番。它最早是从器件制造工艺的发展中推论而来的，虽不是一个自它最早是从器件制造工艺的发展中推论而来的，虽不是一个自然规律，但近然规律，但近4
46、040年的计算机发展，证实莫尔定律确实非常准确。年的计算机发展，证实莫尔定律确实非常准确。莫尔定律的限制：莫尔定律的限制：莫尔定律的限制：莫尔定律的限制：莫尔定律的本质是基于器件工艺水平的发展莫尔定律的本质是基于器件工艺水平的发展与提高，其受限于处理器的物理性能。与提高，其受限于处理器的物理性能。算法的作用：算法的作用：算法的作用：算法的作用：面临着常规处理器性能的瓶颈，算法的进展将会面临着常规处理器性能的瓶颈，算法的进展将会成为计算机性能跟上莫尔定律的主要机制。改进算法可使性能成为计算机性能跟上莫尔定律的主要机制。改进算法可使性能的提高大体上等于或超过莫尔定律按硬件性能所预计的性能提的提高大
47、体上等于或超过莫尔定律按硬件性能所预计的性能提高。高。2.3 2.3 算法（算法（2 2）本讲稿第二十四页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）252022/10/202.高性能计算学科(12)并行算法发展的新趋势并行算法发展的新趋势扩大算法研究范围：扩大算法研究范围：扩大算法研究范围：扩大算法研究范围：近来，算法不仅仅单纯研究其自身的问题，近来，算法不仅仅单纯研究其自身的问题，也同时研究其硬件平台和软件支撑技术，形成了也同时研究其硬件平台和软件支撑技术，形成了“结构结构算法算法编程编程”的一体化研究方法。的一体化研究方法。注意和应用领域的结合：注意和应用领域的结合：注意和应用领域的结合：注意
48、和应用领域的结合：当今算法研究更讲究实用，更多地集当今算法研究更讲究实用，更多地集中在应用领域中在应用领域(生物、化学、社会科学等生物、化学、社会科学等)的算法研究上。的算法研究上。理论研究与实验工作相互补：理论研究与实验工作相互补：理论研究与实验工作相互补：理论研究与实验工作相互补：借助实验的方法来分析、模拟、借助实验的方法来分析、模拟、评价大型复杂的算法。评价大型复杂的算法。2.3 算法(3)本讲稿第二十五页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）262022/10/202.高性能计算学科(13)并行算法研究面临的挑战并行算法研究面临的挑战新型并行计算模型：新型并行计算模型：新型并行计算模型
49、：新型并行计算模型：现有的第一代和第二代并行计算模型已不现有的第一代和第二代并行计算模型已不能准确反映当代的并行计算机特性；能够反映并行机多层次存能准确反映当代的并行计算机特性；能够反映并行机多层次存储和硬件底层多级并行的第三代计算模型尚未完全建立和被采储和硬件底层多级并行的第三代计算模型尚未完全建立和被采用。用。大规模并行系统上并行算法的实现：大规模并行系统上并行算法的实现：大规模并行系统上并行算法的实现：大规模并行系统上并行算法的实现：面对成千上万个处理器的面对成千上万个处理器的并行系统，算法所产生的任务如何分解、映射和调度。并行系统，算法所产生的任务如何分解、映射和调度。大规模并行算法的
50、运行：大规模并行算法的运行：大规模并行算法的运行：大规模并行算法的运行：如何确保成千上万个进程的正确运行，如何确保成千上万个进程的正确运行，包括执行过程中的监视、查错以及性能优化等。包括执行过程中的监视、查错以及性能优化等。2.3 算法(4)本讲稿第二十六页，共五十七页国家高性能计算中心（合肥）272022/10/202.高性能计算学科(14)算法、程序和软件算法、程序和软件这三个术语在严格意义下是不同的，但在实用中经常被混用。这三个术语在严格意义下是不同的，但在实用中经常被混用。算法：算法：算法：算法：求解问题的原理方法和具体步骤。求解问题的原理方法和具体步骤。程序：程序：程序：程序：编程实