计算机专业概论报告：高性能超级计算机

高性能超级计算机

1.超级计算机的概述

超级计算机是指“在给定时间内可提供最大、最快和最强能力的大容量大型计算机”。超级计算机是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全和国防建设等领域一系列重大挑战性问题的重要手段，是国家综合国力、科技竞争力和信息化建设能力的重要体现。目前，该项目已经成为世界各国争夺的战略制高点。

2.超级计算机的发展历程

1975年至今，超级计算机经历了三次革命性的发展：向量超级计算；多CPU上的并行超级计算；分层组织的、带有高速缓存的微处理器群集上的超级计算。

向量超级计算的概念是指为了在一个时钟周期内作更多的计算，而将很多计算部件放在一个CPU内，我们也可称之为"矢量计算"。向量计算机可以对多组数据（每组一般为两个数据）成批地进行同样的计算，进而得到成批的结果。20世纪70年代末期，以向量超级计算为主的机器出现了，如CDCCyber205和Cray-1，其中Cray-1更加流行。

80年代初期，大规模并行处理流行起来，虽然向量计算的出现使计算机性能的提高达到了指数级。但是由于超级计算机的CPU速度已接近其时钟速度的物理极限，所以，要继续提高性能也就意味着必须投入多个CPU来同时为一个程序工作，人们将大量小的处理单元用互联网络连接起来，成为大规模并行处理系统。20世纪80年代，Cray向量计算机的处理器数量增加到了16个。这些处理器的控制中心把它们作为共享资源进行管理，而这个控制中心最关心的就是如何使输入输出总量达到最大。由于用几个处理器有效地处理一件单一工作具有一定困难，所以通常通过一个处理器处理一件工作、多个处理器同时处理多个工作的方式来提高计算机的输入输出总量。如今正在出现的大规模并行处理器，将使所有处理器完成单一的工作成为可能。这种运行方式上的转变，对加快应用程序向这种新机器上的移植起了很大的推动作用。

随着技术的不断发展，超级计算机越来越多的采用集群技术，采用标准的网络技术将商业市场所支持的少数功能强大、经济高效的机器结合在一起的系统。将已建立的一些标准单处理器工作站网，经过多处理器工作站之间的协调，来解决单一问题，从而得到了全面的超级计算机性能并将群集计算带入了超级计算领域。

3.超级计算机的衡量指标

机群系统的主要性能指标有峰值速度、实测速度和运行效率等，计算速度一般以计算机系统“每秒执行的浮点运算次数”(Float ingpoint Operations Per Second，Flops)为单位，并定义了扩展单位MFlops(百万次浮点运算每秒)、GFlops(十亿次浮点运算每秒)、TFlops(万亿次浮点运算每秒)和PFlops(千万亿次浮点运算每秒)等。

3.1峰值速度

峰值速度通过计算得出，故也称理论峰值速度， 其计算公式为【理论峰值速度(亿次)=节点机每个CPU主频(MHz)×CPU每个时钟周期执行浮点运算的次数×CPU总数目/108】。例如，“天河一号”的峰值速度为1206万亿次每秒(TFlops)或1.206千万亿次每秒(PFlops)。

3.2实测速度

用评测软件对机群系统计算速度的实际测试值，目前国际上通用的超级计算机或高性能计算机评测软件是《Linpack》——这是一套采用求解线性方程组和特征值问题的方法来综