2003年中国高性能计算机TOP100排行榜分析与预测

ｌ引言
以高性能计算机为基础的计算科学已经成为继理论科学和实验科学之后人类科学研究的第三 大支柱，在一些新兴的学科，如新材料技术和生物技术领域，高性能计算机已成为科学研究的必 备工具。同时，高性能计算也越来越多地渗透到石油工业等一些传统的产业之中，以提高生产效 率、降低生产成本。 步入２００３年，在美国为夺回被日本地球模拟器霸占了两年的ＴｏＰ５００第一宝座而进行深刻反 思，试图东山再起的时候。在世界高性能计算产业快速向网格计算方向发展的时候，中国的高性 能计算市场同样不平静。一方面，联想、浪潮和神威等公司进入高性能计算市场，使得这一市场 的竞争趋向白热化：中小企业如浙大网新赞禾、湖州奥利金公司等也纷纷跟进，使得国产高性能 计算机厂商呈现多样化。用户现在拥有了更多的选择权，同时更有利于高性能计算市场的规范化 和成熟。另一方面，国产机器的性能水平快速提升。在２００２年我们还只能在ＴＯＰ５０排行榜上看到 一台万亿次峰值的计算机，而在２００３年的ＴＯＰｌ００排行榜上，峰值超过万亿次的高性能计算机就达 到了１０台。据我们所知，目前仍在搭建或即将投入使用的更高性能的机器也不在少数。这其中就 包括２００３年７月２３日在北京发布的将由２０００颗６４位ＡＭＤ
下限。
・前巾国ＴＯＰｌ００排行榜巾机器的’Ｆ均Ｌｉｎｐａｃｋ性能为１９６．８ＧＦＩｏｐｓ．是２００２年的２．１３倍。２００３ 年固际ＴＯＰ５００排行榜中机器的平均Ｌｉｎｐａｃｋ性能为１０５９．２ＧＦＩｏｐｓ．平均性能首次超过ｌＴＦＩｏｐｓ，是
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巾国的甲均性能的５．３８倍．比２００２年的６．３７倍差距缩小：而国际上平均性能接近１９６．８ＧＦｌｏｐｓ的时 问为２００１年６月，相差两年半，比２００２年的相差３年，缩小半年．
来看，国产机器前三名有两名。同时可以看出．虽然唧的机器数量超过一半，但其性能份额却只
有三分之一，总体上说明其在中国销售的高性能计算机主要是中等规模的机器。而联想公司在数 量很少的情况下，却能达到性能份额的第一名，且超过三分之一．说明该公司目前主要集中于高 端大规模机器系统。
５行业领域分析
从ＴＯＰ５００具体的行业应用领域来看，不能获得具体信息的大幅度下降，从大约接近一半下降 到５．８％；而能说明用途的机器，前三名是工业（４２．２％）、研究开发（２４．４％）和科学计算（２１．６％）。 从中国ＴｏＰｌ００具体的行业应用领域来看，目前高性能计算主要分布在科学计算、金融保险、 电信、税务、能源、工业、生物信息、交通运输、大气气象、邮政、研究开发和政府等领域。从
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机器数最上米看，科学讣算（２８％．比３０％略有下降）、金融保险（２１％．比２２％略有下降１、电信 （１ ５％，比‰上升）分列前三名；从机器Ｌｉｎｐａｃｋ性能上来看．科学计算（５０ ９７％）、金融保险 （１２ ３１％）、能源（１０ ２４％）分列前二名。说明目前的科学计算、金融保险、电信和能源是高性能讣算 的主要用户．与世界ＴＯＰ５００的应用领域分析结果基本一致。中国ＴＯＰｌ００还显ｕｉ税务和生物信息 也是不可忽视的发展方向。但是，从各应用领域的分布比重来看．国外的高性能计算机已经主要 应用在工业和研发领域，而不是以科学计算为主。说明国外的高性能计算的应用水・ｆ发展很快， 已经进入大规模工业应用的阶段；而从中国的比重来看．我国还处于以科学计算、金融保险和电 信为主的发展阶段，高性能计算在工业中的应用水平和范围还有待提高。
３地理分布分析
从中国ＴＯＰｌ００的地理分布（不包含港澳台）来看，目前有２４个省市（２００２年１８个省市）榜上有 名，其中近５０％的高性能计算机集中在北京和上海两个市，上榜的省市数量快速增长。从上榜机
器数量上来说，北京（３７呦、上海（１２呦、广东（９％）、安徽（５哟、山东（４％）分列前五名：从总
Ｌｉｎｐａｃｋ性能上来说，北京（５７．３７％）、广东（７．９４％）、山东（６．５９％）、上海（６．３７％）、安徽（３．３ｌ％）分列 前五名：从处理器数量上来说，北京（５３．５４％）、上海（１１．３１％）、广东（６．１４％）、山东（６．１４％）、黑龙 江（３．７ｌ％）分列前五名。广东省和山东省的进步很快。从拥有高性能计算机的省市可以看出：当地 高性能计算机的需求和应用水平。与其经济发展水平有很强烈的联系。
’奉项目得到国家９７３项目Ｎｏ．Ｇ１９９９０３２８０５，国家８６３项目和国家自然科学基金（Ｎｏ．６０３０３０２０）的部分资助
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在国际上，自１９９３年起每年都会按Ｌｉｎｐａｃｋ的测试性能公布在世界范围内已安装的前５００台高 性能计算机排行，此排行榜已经被国际公认，成为高性能计算机研制生产、市场发展和应用交流 的重要参考。由于历史原因，我国的高性能计算机未曾向国际公布Ｌｉｎｐａｃｋ性能测试结果，故而在 ２００２年之前尚朱列入国际ＴＯＰ５００排行榜。在中国软件行业协会数学软件分会发布首次中国高性 能计算机排行榜的２００２年当年．就实现了零的突破。在中国ＴＯＰ５０排行榜中名列第一的联想深腾 １８００万亿次机群名列２００２年世界ＴＯＰ５００第４３名，结束了在世界ＴＯＰ５００排行榜没有国产高性能机 器的历史。２００３年．在中国ＴＯＰｌ００排行榜中名列第一的联想深腾６８００万亿次机群名列２００３年世界 ＴＯＰ５００第１４名。达到了国产高性能机器的历史新高。 中国ＴＯＰｌ００的测评按国际惯例选用Ｌｉｎｐ孔ｋ测试。下面给出对中国软件行业协会数学软件分 会２００３年１１月８日发布的中国高性能计算机ＴＯＰｌｏｏ（Ⅵｗｗ．ｓａｍｓｓ．ｏｒｇ．ｃｎ）排行榜的分析与预测。特别 指出的是，在计算性能、应用领域等方面。我们根据国际ＴｏＰ５００（ｗｗｗ．ｔｏｐ５００．ｏ喀）从１９９３到２００３ 年的统计数据给出了当前国际和国内高性能计算的对比分析。
２００３年中国高性能计算机ＴＯＰｌ００排行榜分析与预测木
张云泉，孙家昶，袁国兴．张林波
摘要：本文根据２００３年１１月发布的中国高性能计算机ＴＯＰｌｏｏ排行榜的数据，对国内高性能计 算的发展现状从性能、地理分布、制造商和行业等几个方面进行了深入分析．在此基础上， 根据两届排行榜积累的性能数据和能够得到的其他公开历史数据，对未来几年国内民用高性 能计算的发展趋势进行了预测．从预测可以看出，中国的Ｌｉｎｐａｃｋ性能ｌＯＴＦＩｏｐｓ的机器将在 ２００４年到２００５年间出现．１００ＴＦｌｏｐｓ的机器将在２００６年到２００８年间出现，ＰｅｔａＦｌｏｐｓ的机器将在 ２００９年到２０１１年间出现。通过对国内外历史数据的分析，我们发现国内的高性能计算发展是 有其内在规律的，这一规律和中科院计算所孙凝辉研究员总结的曙光公司的Ｓ曲线发展规律是 相吻合的。从总趋势上看，中国与国际高性能计算机的性能差距在逐年缩小，国际上也有Ｓ曲 线的发展规律．尤其是最近几年，在国际上平稳发展的时期，中国正快速紧追。
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４制造商分析
从ＴＯＰ５００高性能计算机制造商的分布来看，美国制造商占绝对地位，在机器数量和性能上， 从１９８３到２００３年，占ＴＯＰ５００的８０％～９０％。而亚洲制造商占第二位。这其中当然有日本制造商的 传统贡献，但中国国产的机器也开始有所贡献，共有４台机器上榜，占０．８％。欧洲制造商２００３年 仍然是有３台机器上榜（２００２年有３台机器上榜），数量保持不变。从机器数量上来看，ＨＰ从２７．４％ 上升到３３．Ｏ％、ＩＢＭ从２６．２％上升到３１．８％和ＳＧＩ ８．２％分列前三名。比较值得关注的是，联想集团 有３台机器上榜，占Ｏ．６％：清华大学有一台机器上榜，占０．２％。中国自己制造的机器从２００２年第 一次进入ＴＯＰ５００排行榜的只有ｌ台，上升到４台，且全部是机群体系结构。 对于中国ＴＯＰｌ００排行榜来说，美国制造的机器同样占据绝对地位，达到装机数量的７３％．比 ２００２年的７６％略有下降，与其在国际上ＴｏＰ５００的比例是基本一致的。剩余的市场份额被联想、神 威、自制机器、清华、浪潮、华云／奥利金和曙光瓜分。其中浪潮、华云／奥利金第一次上榜。但 从机器的Ｌｉｎｐ孔ｋ性能来看，国产机器的性能比例为５５．６％，比２００２年的４２．２５％上升，而国外机器 从２００２年的５７．７５％下降到４４．４％，说明国外卖给中国的机器由于限制，相对来说系统的总性能比 较低。 总体从装机数量上来看，前三名分别是ＨＰ（５７％，比２００２年的４６％上升）、联想（９％，首次进入 前三名）和ＳＧＩ（８％，比２００２年的１４％下降）：从机器的Ｌｉｎｐａｃｋ性能上来看，前三名分别是联想 （３５．９２％，从２２．３ｌ％快速上升，从第二名上升到第一名）、ＨＰ（３３．８５％，从４２．５３％下降，从第一名 下降到第二名）和神威（８．５３％）；ＨＰ和联想公司分别列机器数量和性能的第一名。且从性能份额上
Ｏｐｔｅｒｏｎ
８００系列处理器搭建的曙光４０００Ａ
超级计算机，其峰值超过１０万亿次。该项目命名为红色网格计划。２００３年１２月１５日，该项目所搭 建的机器成功签约上海超级计算中心，２００４年交付使用后将成为国内最大的一个网格节点。根据 最新得到的测试结果，其Ｌｉｎｐａｃｋ性能达到８．０６ＴＦｌｏｐｓ。如果不出更大规模的机器。将成为２００４年 中国ＴＯＰｌｏｏ第一名。 那么，２００３年国内高性能计算机研制和开发的走向和特点如何？用户需要什么样的高性能机 器？高性能计算的主要应用领域有哪些？哪些领域增长比较快速？国内高性能计算的普及情况如 何？主要集中在哪些省市？哪些厂商占据主要市场？通过对比２００２年和２００３年两年的排行榜数 据，我们能否对这些问题做出很好的回答呢？
２总体性能分析
２００３年的总体性能分析如下： ・２００３年ＴＯＰ５００高性能计算的总性能达到了５２９．６ＴＦＩｏｐｓ，大家高兴的称之为半千万亿次 （Ｈａｌｆ Ｐｅｔａｆｌｏｐｓ）：而根据２００３年中国ＴＯＰｌｏｏ排行榜的数据。中国目前高性能计算机的总性能是 １９．６８Ｔｆｌｏｐｓ。前５０名的总性能为１６．３３ＴＦＩｏｐｓ．是２００２年总性能的３．５５倍。 ・ＴＯＰ５００排行榜第一名的Ｌｉｎｐａｃｋ性能仍为３５．８６ＴＦｌｏｐｓ，日本已经在第一名的位置保持了两 年四期排行榜。中国ＴＯＰｌｏｏ排行榜第一名的Ｌｉｎｐａｃｋ性能为４．１４８ＴＦｌｏｐｓ，且有两台机器的Ｌｉｎｐａｃｋ 性能达到了ｌＴＦｌｏｐｓ以上。在２００３年１１月１４日发布的ＴｏＰ５００排行榜上，该机器的最新排名为第１４ 位。是国产并行计算机在ＴＯＰ５００上的最好成绩。其性能是２００２年ＴＯＰ５０第一名性能的３．９７倍。从 第一名的性能来说。在地球模拟器保持不变的情况下，我们进步很大。有趣的是，这两台机器都 是联想集团制造的。 ・ＴＯＰ５００中１３１个系统的Ｌｉｎｐａｃｋ性能超过了ｌＴＦＩｏｐｓ，共有２０８个系统是机群，使得机群成为 最流行的体系结构。中国ＴＯＰｌ００中，有十个系统的峰值达到了ｌＴＦｌｏｐｓ，而２００２年还只有一台， 共有２６个（２００２年为７个）系统是机群，其中有４个（２００２年５个）系统是自己搭建的。从这一点来看， 机群仍然处在快速增长阶段，但尚不占据主导地位。但值得注意的是。性能比较高的系统，往往 采用机群的体系结构。 ・ＴＯＰ５００中ＴＯＰｌＯ的最低性能大于６．６ ＴＦｌｏｐｓ：其中３台由ＩＢＭ制造，２台由ＨＰ制造，２台由
Ｌｉｎｕｘ
Ｎｅｔｗｏｎｃ制造，ＮＥＣ、ＤｅＩｌ制造各一台．值得关注的是．有７个机群系统进入ＴＯＰｌ０。中国
ＴＯＰｌｏｏ中，ＴＯＰｌＯ的最低性能大于０．３８ＴＦＩｏｐｓ（２００２年０．１ＴＦｌｏｐｓ），其中４台由联想制造，２台由国 家并行计算机工程技术中心制造，２台由ＩＢＭ制造，清华和浪潮各一台．国产机器占据主要位置． 而且是前八位。而２００２年还只有４台。 ・２００３年之前ＴＯＰ５００的Ｌｉｎｐａｃｋ效率基本稳定在６５％左右。中国ＴＯＰｌ００的最低性能大于 ３８．６８ＧＦｌｏｐｓ，比２００２年的第５０名性能１３．１７ＧＦＩｏｐｓ要高。Ｌｉｎｐａｃｋ效率平均为５７．９％（２００２年５９．３％）， 略有下降。比国际ＴＯＰ５００低的原因可能有两个方面：其一是中国没有比较大型的并行向景机，其 ．ｊ是有一些系统的Ｌｉｎｐａｃｋ数据是来自更大规模系统的推算，因而只能代表其实际能达到的性能的