高性能计算的发展现状分析

高性能计算的发展现状分析

张晓峰，李昭，陈鹏

（三峡大学计算机与信息学院，湖北武汉443002）

摘要：我国经济不断进步，信息产业取得了较好的发展，社会的发展使得对计算能力的需求越来越高，间接促使了高性能计算的发展。文章主要描述了当前中国高性能计算机发展现状，分析了高性能计算机的应用领域，最后简要讨论了中国高性能计算发展的一些缺陷。

关键词：高性能计算；应用；挑战；排行榜

中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1673-1131（2019）01-0041-03

Development analysis of High Performance Computing

Zhang Xiaofeng1,Li Zhao2,Peng Chen1

(1.College of Computer and Information Technology,China Three Gorges University,Yichang,443002,China) Abstract:With China's economic progress,the information industry has achieved great development,social development re-quires higher capacity for computing,indirectly prompted the development of high-performance computing.This paper mainly describes the current situation of the development of high-performance computer in China,analyzes the application fields of HPC,and finally discusses some shortcomings of the development of HPC in China.

Key words:High Performance Computing;Application;Challenge;rank list

0引言

1964年10月16日，中国首颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功，从1958年毛泽东主席做出重大决策要发展“两弹一星”到首颗原子弹爆炸成功，中国花了6年时间，在首颗原子弹研制过程中，部分数据交给了小型计算机处理，但整个原子弹设计模型都是在104型上完成的，而这种计算机在当时的中国只有2台，平均每秒运算1万次。而后，中国从原子弹到氢弹的突破速度是五个核大国中最快的，美国作为先行者，用了7年零3个月，苏联用了约4年时间，法国更是用了8年零6个月，中国仅仅用了2年零8个月。中国不只是花费更短的时间，并且在试验次数上有着明显的优势，美国从氢弹到原子弹

有效数据占比为(2204-220)/2204=90%

业务数据占比：上行控制信道开销一般取21%，上行业务数据占比取79%。

因此，上行频谱效率=2046bit/25ms/25KHz*90%*79% =2.27bps/Hz

2.3IoT-G下行频谱效率

计算方法与LTE-G相同

下行数据量=子载波数*(时隙0+时隙1+DwPTS)的符号数*调制阶数=6*(6+6+1)*6=468bit

有效数据占比计算：

下行总时长为120+120+20=260T s，CP总时长为24+24+4=52T s 有效数据占比为(260-52)/260=80%

业务数据占比：下行控制信道开销一般取25%，下行业务数据占比取75%

因此，下行频谱效率=468bit/10ms/25KHz*80%*75%=

1.10bps/Hz

2.4IoT-G上行频谱效率

上行数据量=子载波数*（时隙3+时隙4+UPTS）的符号数*调制阶数=6*(6+6+3)*6=5406bit

有效数据占比计算：

上行总时长为120+120+60=300T s，CP总时长为24+24+12=60T s 有效数据占比为(300-60)/300=80%

业务数据占比：上行控制信道开销一般取21%，上行业务数据占比取79%

因此，上行频谱效率=540bit/10ms/25KHz*80%*79%= 1.33bps/Hz 3结语

LTE-G与IoT-G

的频谱效率对比如下表：

上行频谱效率上，LTE-G230MHz比IoT-G230MHz高70%左右；

下行频谱效率上，IoT-G230MHz比LTE-G230MHz高18%左右。

由于LTE-G230MHz上下行时隙比是3：1，因此上行效率更高；IoT-G230MHz上下行时隙比是2：2，下行效率更高。

另外，由于帧结构上的区别，LTE-G230MHz的CP开销为10%，而IoT-G230MHz的CP开销为20%，因此总的频谱效率上LTE-G230MHz比IoT-G230MHz高出10%。

参考文献：

[1]230MHz离散多载波电力无线通信系统第2部分:LTE-

G技术规范.

[2]230MHz离散多载波电力无线通信系统第4部分:IoT-G

技术规范

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一共有32次核爆试验，而中国仅仅只做了7次，而每次核爆试验对应的花费是数亿美元，这些数据表明中国在氢弹研制方面花费了更少的时间并且投入了更便宜的成本，这也是因为中国在这方面的研制中极大部分的数据运算是在计算机上完成的。

由此可见，计算机在科学研究方面提供了极大地支持，不仅节约了成本，更是大大减少了时间消耗，提高了研发进度，计算机的发展也将大大促进科学研究的发展进步。

而高性能计算是计算机科学的一个分支，经过近一个世纪的发展，已经与理论科学、试验科学一起推动着人类文明的进步，促进者科学技术的发展，成为“21世纪科学研究的三大支柱”。

高性能计算主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的技术。从普通意义上讲，它和现在常说的并行计算、超级计算是同义词。从战略意义上讲，高性能计算已然是一个国家综合国力的体现，是支撑国家实力的关键技术之一，在国防安全、高科技发展和国民经济建设中战友重要的战略地位。

1中国高性能计算发展现状

自1986年，国家实施863计划以来，信息产业得到了

国家大力支持而得以发展，2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术规划纲要（2006~2020年）》强调指出，“要突破制约信息产业发展的核心技术，提升包括高性能计算在内的核心技术的自主开发能力和整体水平。”在国家对高性能计算的大力扶持下，我国的高性能计算技术发展势头良好，超级计算机的数量显著提升，到2017年底，中国超级计算机入围top500的数量达到202台，全面压倒美国，现拥有的最高性能计算机数量已居全球首位，这一纪录仍将保持。

Linpack 测试结果是衡量高性能计算机的一个重要指标，国际上每年根据这一指标对全世界的计算机进行两次排行（TOP500），top500成为高性能计算领域极具价值大参考榜单。中国自2002年计入该榜单，当时联想深腾在榜单中排到43名，图1显示了自1995年以来中国高性能计算机的发展

情况。

图1中国高性能计算机发展趋势图（1995-2018）全球超算主要分布在中国、美国、日本、英国和德国等国家。截至2018年6月，在TOP500榜单中，中国超级计算机入围数量达到206台，占比41.2%,以领先第二名82台的优势排在所有国家之首，美国124台居于第二位，第三名是日本，共有36台超级计算机入围该榜单；英国排名第四，共有22台超级计算机入围。具体比例数据见图2

。图22018年6月各国高性能计算机数量比例

值得一提的是，自2013年6月至2015年12月，由国防科大研制的“天河二号”超级计算机长期位居TOP500冠军位置，2016年6月，由国家并行计算工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机“神威·太湖之光”接过接力棒，继续领跑全球，这一状况直到今年六月才发生改变，美国IBM 研发的Summit 超级计算机在性能上超过中国的“神威·太湖之光”，问鼎世界第一宝座。除此之外，2016年中国高性能计算机首次获得有着计算领域诺贝尔奖之称的戈登·贝尔奖。同时，在2017年中国高性能计算学术年会（HPC China 2017）发布2017年中国HPC TOP100榜单中，国产系统占比99%，仅HP （1%）一家国外厂商。这些数据表明，中国在高性能计算机硬件的研制水平已经进入世界前列，国外系统已经逐渐退出中国市场，而国产系统开启了对外输出的全新局面，目前，厂商份额第一的浪潮已经在美国、欧洲、亚太、南美等多个国家和地区成功安装了多套高性能计算系统。表1中国高性能计算机TO100排行榜前10名（2017.11

）

2高性能计算的应用领域

高性能计算机的应用领域非常广泛，根据TOP500网站数据显示，全球高性能计算机的应用领域主要有科学研究、天气和气候研究、半导体、安全防卫、航空航天、能源以及性能评测，当然还有一些厂商没有明确应用领域。具体到国内，从2017