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第七章 主要应用的发展方向
Computers do not solve problems, they execute solutions. —— Laurent Gasser
学无止尽。 --荀子
图7.1 计算机发展趋势
当今计算机科学发展趋势，可以分为三个维度考虑：第一个维度就是向“高”的方向发展——性能越来越高、速度越来越快；第二个维度就是向“广”的方向发展——计算机无处不在、网络化渗透到各个领域；第三个维度是向“深”的方向发展——智能无处不在、随应用得到更深层次的发展与完善，即计算机的发展将趋向高速、超小型、平行处理和智能化，如图7.1所示。这将是新一轮的计算技术革命，并将带动光互联网的快速发展，也会对人类社会的发展产生深远的影响。
本章将从计算机主要应用中介绍计算机未来的发展方向。初步探讨了当今计算机在高性能化、网络化、智能化方面的基本知识、现状及发展展望。掌握好本章内容，有助于我们了解快速发展的计算机行业的步伐。
学习目标：学习高性能计算机的研究现状与发展展望有助于你把握计算机行业的发展方向。
7.1 高性能化
7.1.1高性能计算简介
(1) 高性能计算定义
随着科技的发展，人们要求处理事情的速度也在不断的提高，正所谓“高效率办事，快节奏生活”，因此高性能计算（High Performance Computing，HPC）也就应运而生，高性能计算机在高性能运算中扮演了重要的角色。
高性能计算就是研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，分配给多个计算机进行处理，并把这些计算结果综合起来得到最终的结果的问题。高性能计算机是有多个可同时工作的处理器构成的计算机系统。在一个高性能计算系统中，不同处理器同时运行同一程序的多个任务或进程，或者同时运行多个独立程序，以提高系统的运算速度、吞吐量或有效地利用系统的资源。高性能计算的内容包括了向量计算、并行计算、分布式计算、网格计算、元计算。
(2) 高性能计算机的发展简史
高性能计算机经历了自1946年第一台真正意义上的电子计算机ENIAC的诞生到二十世纪五十年代的巨型机萌芽时代（代表机型：CDC6600）、向量机时代（代表机型：CRAY-1、SX-3）、大规模并行处理机时代(代表机型：Cray T3E、IBM SP2)、现在我们所处的集群时代（代表机型：NOW）。
图7.2我国与国外同档次高性能计算机推出时间比较图
二十世纪八十年代以后，我国开展了向量机、大规模并行机和机群系统等各种高端计算机研制，陆续推出了银河、神威、曙光等系列成果和产品，形成了以国防科大、江南研究所和中科院计算所为代表的科研团队，使我国高端计算机研制和应用紧跟国际发展趋势，如图7.2所示。
(3) 高性能计算机应用
从第一台电子计算机发明以来，高性能计算机已经从国家实验室里的奢侈品变成了普通研究者的 DIY（Do It Yourself）产品了，高性能计算机的这 60 年的发展，就是一个从定制到商品化，从私有到开放的过程。高性能计算机已经普及到很多领域：
- 计算密集型应用
主要是指大型科学工程计算，数值模拟等应用，如石油、气象、CAD、核能、制药、环境监测分析、系统仿真。
- 数据密集型应用
主要是指数字图书馆，数据仓库，数据挖掘，计算可视化等应用，如图书馆、银行、证券、税务、决策支持系统。
- 通信密集型应用
主要是指协同工作，网格计算，遥控和远程诊断等应用，如网站、信息中心、搜索引擎、电信、流媒体。
7.1.2 高性能计算机研究现状
全球高性能计算TOP500排行榜创立于1993年，旨在跟踪未来高性能计算发展趋势并为其提供技术支撑。TOP500一直是全球HPC领域的风向标，排行榜的变化折射出全球HPC在技术和应用方面的研究现状和发展趋势。它已成为展示全球最高性能计算机系统的舞台。
2012年6月，最新一期全球超级计算机500强公布，IBM时隔四年后再次回到超算榜首，如表7.1所示。IBM Sequoia（红杉）超级计算机以16.32PFLOPS的浮点峰值计算能力，击败日本K Computer的10.51PFLOPS的前世界第一记录。
表7.1超级计算机TOP500榜首变化
Sequoia的建造主要是为美国国家核安全管理局进行复杂的模拟运算，这对于国家核武器储备的安全管理十分重要。该产品是基于IBM的Blue Gene/Q架构建造的，占据了96个机柜，由98304个计算节点组成，配备160万个PowerPC处理内核以及1.6PB的内存，采用Linux操作系统，它比Blue Gene/L的性能要强大很多。IBM研制 Sequoia计划如图7.3、7.4、7.5所示：
和往届排行一样，新一期的超级计算机TOP500排行榜依然被AMD、IBM和Intel三巨头牢牢把控，其中，Intel占据了372个席位，接近75%的比重，AMD和IBM分别以63和58的席位位列第二和第三位。不过在榜单排名前四的超级计算机中，我们看不到Intel的身影，反而是三巨头中占比最少的IBM凭借着Sequoia超级计算机拔得了头筹。
2012年3月，Intel发布了XeonE5商用级处理器系列，而在这份榜单中，排名前十的超级计算机中有2个正是搭载的这颗CPU——XeonE5-2680，包括SuperMUC（排名第四）和Curiethinnodes（排名第九）。XeonE5-2680采用原生的8核心设计，默认主频为2.7GHz，配备20MBL3共享缓存。SuperMUC搭载了超过1.8万颗的XeonE5-2680处理器，核心数量达到了147456颗，浮点性能为2897。
AMD方面，排名最好的是第六位的CrayXK6，它搭载的是AMD的Opteron6274处理器，同时还采用了NVIDIA的2090GPU。
TOP 500体系结构的比例图，如图7.6所示，可以看出主要是以Cluster(集群)和MPP(Massive parallel processing,大规模并行处理计算机)为主，其他结构所占比例均为0，其中集群结构达到了81%。
TOP 500操作系统的比例图，如图7.7所示，使用Linux操作系统的超级计算机占到了93%，可见Linux在高性能计算机上比其他操作系统更具有优势。
TOP500互联类型的比例图，如图图7.8所示，互联类型种类较多，但Gigabit Ethernet 和Infiniband类型各占了40%左右的比例，主导着高性能计算机互联类型。
7.1.3高性能计算机发展展望
7.1.3.1 高性能计算发展展望
(1) 多核异构大势所趋编程模式是关键
多核和多核异构系统越来越受到超大规模计算机的青睐。2012年6月发布的全球高性能计算TOP500排名第一IBM Sequoia计算机以18核PowerPC A2处理器为基础，总内核数量为1572864个。由此可以看出，多核处理器依然占据着主流地位。
众所周知，在当前的高性能计算系统和应用中，绝大多数是x86架构的处理器和应用，随着高性能计算系统性能的不断提升，多核和重核异构系统在满足高性能计算的某些特殊应用的时候表现出比较出色的性能。例如对于追求浮点运算性能的应用来说，GPU(图形处理芯片)的速度要远远高于传统的 CPU(中央处理器)，这也是为何AMD和NVIDIA公司认为，在未来的高性能计算中GPU或者CPU GPU会最终取代CPU。但从目前应用软件的编程模式来看，多数编程工具和应用仍然是基于x86架构，所以要想充分发挥出GPU或CPU GPU的性能，改变传统的编程模式至关重要。目前英特尔的高性能计算开发工具可用于分析和优化已有MPI编程模式的性能。同时英特尔也发布了自己的MPI2.0，接口不变，编程模式不变，但更加适合多核环境，在进程与内核之间可以实现更好的绑定。
从目前高性能计算的现状看，采用CPU GPU的异构系统，要改变业内流行的编程模式，难度很大；而采用基于相同编程模式的多核异构应该是未来高性能计算系统可行的道路。
(2) 降低高性能计算系统能耗追求绿色计算
在高性能计算领域，用户对于计算性能的需求是无止境的，这使得计算机系统的规模越做越大，系统功耗也成为超级计算机发展面临的重大挑战。
当今全球百万亿次级超级计算机系统功耗在1000千瓦左右。一台千万亿次超级计算机系统的功耗能达到数兆瓦，每年的电费开销高达数千万元。因此，未来的超级计算机必须在节能方面有新的技术突破，以往高性能必然高功耗的时代已经过去，评价高性能计算系统的优劣要看性能，更要关注能效。
鉴于此，目前许多厂商已经将降低高性能计算系统的能耗和绿色计算作为努力的方向。例如处在高性能计算产业链上游的处理器厂商英特尔就在制程工艺上采用了最新的45纳米技术，这不仅从晶体管层面解决了漏电问题，而且还可以让芯片做得更小，性能更高，这使得45纳米产品可以用较少的时间完成相同的任务，从而减少能源的消耗。
另外，英特尔也在芯片中不断增强能源管理功能，如对能耗按需管理，把不忙的处理器核的功耗降低，以便提升繁忙的处理器核的主频。而在基础架构方面，英特尔认为一定要和整个产业的伙伴进行共同合作才能让整个生态系统共同走向绿色计算。
(3) 个人HPC呼之欲出
在计算机“摩尔定律”的推动下，计算机的硬件性能越来越强。而高性能计算机在这种技术浪潮的推动下，也正在悄悄地发生改变，一方面位于数据中心的高性能计算机正纷纷迈入每秒千万亿次的级别，另一方面，针对普通商业用户的桌面高性能计算机也纷纷抢滩登陆。在不久的未来，普通用户也能拥有高性能计算机。
传统的高性能计算机或超级计算机是计算机中运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。除少数机型可开放给各界有需要的团体申请使用外，绝大多数此类机型都是供各国核心机构使用的，除了专门机构，普通企业用户很难一睹芳容。而随着以 CPU、GPU、内存、硬盘为代表的电脑硬件性能不断提升，高性能计算机的性能也不断倍增，研制难度反而在不断降低，这让具备兼容性更强、更易维护、更易升级、更易使用特点的小型化的HPC，全面走进商用并具备较大的市场成为可能。
而随着小型化 HPC 的普遍出现，其性能也会日益增强，它将更好地为生命科学、地球物理科学、工程学、三维渲染、医学诊断、电子设计自动化、气象预报、公务应用、游戏影视虚拟、金融建模以及石油和天然气等领域的用户提供服务。在现实生活中，许多科学研究和商业企业的计算方面的具体问题都可轻松地通过小型化 HPC 系统来解决，如天气预报、制药企业的药理分析、科研人员的大型科学计算问题等等。
(4) 机群系统的应用面扩大、形成产业规模市场
基于 Linux 的机群系统在下五年的使用面将进一步扩大，高性能计算机产业前景更加光明，个人用高性能计算机时代即将出现。以 Beowulf PC Linux 机群为标志，高性能计算机的门槛现在已经不再是高不可攀了。高性能计算机的普及也将使其应用面进一步扩大。除了从前的国家级战略单位以外，产业界和地方部门也可能逐步利用高性能计算机，而随着网格技术的发展和应用软件的进一步丰富，可以预见不远的将来会出现个人高性能计算的时代。由此高性能计算的战略意义和产业前景更加重要。
(5) 网格不仅影响各种应用，也将对计算技术产生巨大影响
图7.9 网格技术
网格作为下一代 Internet的应用不仅影响最终用户，同时对其它技术的发展产生巨大的影响，高性能计算机领域将首先享受到网格带来的推动作用。
网格作为下一代 Internet应用，其特征是以资源共享为目标，同类资源集中，异种资源分离，资源的调用服务化，资源的使用按需分配。对于高性能计算机系统来说，资源的网格化是一种使能技术，为更大尺度的高性能计算机系统的设计提供了支持。但是不能简单的将网格和未来的高性能计算机系统等同起来。作为一种共享技术，网格只是使现有的高性能计算资源更好的被共享使用，而并不能增加高性能计算资源。我国的高科技发展计划一度用网格发展专项取代了新一代高性能计算机的研制，是走入了一个误区。
网格化技术为高性能计算机提供了一种动态的、网格化的资源作为其新的组成部件。如网络CPU、网络RAM、网络磁盘等等。网格不仅仅将“计算机通过网络连接起来”，而且将成为真正意义上的“网络连接起来的计算机”，如图7.9所示。如何利用这些部件构造更高性能的计算机系统仍然需要更多的体系结构的研究。
(6) 高性能计算机硬件发展逐步面向应用
减少用户使用高性能计算机复杂性的努力将有回报，体系结构创新与自动并行程序设计工具的发展可能是关键因素。针对高性能计算机体系结构来设计高性能算法依然是应用科学家今天必须面临的问题。对体系结构及系统软件详细地了解与理解是写出高效程序的关键，也有用户为提高应用程序效率自己重新开发操作系统的事例。如何摆脱应用系统随一代一代机器的研制而重复设计一遍的局面成为计算机设计师追求的目标和研究的方向之一。
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