高性能计算的发展现状及趋势

岭国 家 实 验 室 的 Ｊ 包括８个 Ｃ ａ ｕ ａ ｒ系 统 ， ｒ ａ Ｔ ４ ｇ ｙＸ 系统机柜和 ２ 均采用 ６ ０ ０ 个升级的 Ｃ ｒ ａ Ｔ ５ 机柜 ， ｙＸ 核处 理 器 ， Ｘ Ｔ ５占地４ ４ ０ ０ ｆ ｔ 。Ｘ Ｔ ４每个节点的内
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表 １ ２ ０ ０ ９年１ １ 月世界高性能计算机 １ ０ 强排名表 序号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １ ０ 安装地点 美国橡树岭国家实验室 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 美国国家计算科学研究所 、 田纳西州大学 德国 Ｆ 计算中心 Ｚ Ｊ 天津国家超级计算机中心 美国航天局 、 艾姆斯研究中心 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 美国阿贡国家实验室 美国德克萨斯高级计算中心 、 德州大学 美国桑迪亚国家实验室 、 国家再生能源实验室 系统名称 Ｊ ａ ｕ ａ ｒ ｇ Ｒ ｏ ａ ｄ ｒ ｕ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｋ ｒ ａ ｋ ｅ ｎ Ｘ Ｔ ５ Ｊ ＵＧ Ｅ Ｎ Ｅ 天河一号 Ｐ ｌ ｅ ｉ ａ ｄ ｅ ｓ 蓝色基因 蓝色基因 Ｒ ａ ｎ ｅ ｒ ｇ Ｒ ｅ ｄＳ ｋ ｙ Ｃ Ｐ Ｕ 核数 ２ ２ ４ １ ６ ２ １ ２ ２ ４ ０ ０ ９ ８ ９ ２ ８ ２ ９ ４ ９ １ ２ ７ １ ６ ８ ０ ５ ６ ３ ２ ０ ２ １ ２ ９ ９ ２ １ ６ ３ ８ ４ ０ ６ ２ ９ ７ ６ ４ １ ６ １ ６
２ 高性能计算机的国内外发展现状
长期 以 来， 人们把提高处理器工作频率作为增 强计算性能的主要 途 径 ， 但是提高主频受到生产工 人们提出了由传统的 艺和系统功耗 的 限 制 。 为 此 ，
［ ，］ 单核 Ｃ Ｐ Ｕ 向 多 核 发 展 的 技 术 路 线 １２ 。 如 今 广 泛
使用 的 微 机 已 普 遍 采 用 较 高 主 频 的 双 核 或 四 核 所拥有 Ｃ Ｐ Ｕ。 而走在计算机 前 列 的 高 性 能 计 算 机 ， 的Ｃ 表１ ） 。 Ｐ Ｕ 数目已经达到１ ０万个的数量级（ 在第 ３ ２ ０ ０ ９年１ １月， ４ 届高 性 能 计 算 机 ５ ０ ０强的排 超 级 计 算 机 “ ” ， 名 中， Ｃ ｒ ａ Ｘ Ｔ ５ Ｊ ａ ｕ ａ ｒ 最终以 ｙ ｇ ２ ３ ３ １ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ的峰值运算 速 度 和 １ ７ ５ ９ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓＬ ｉ ｎ ａ ｃ ｋ ｐ ｐ ｐ 测试值 ， 战胜了 上 届 排 名 第 一 的 Ｉ “ ” ＢＭ Ｒ ｏ ａ ｄ ｒ ｕ ｎ ｎ ｅ ｒ
０ １ ０年１ ２月 ２
第４ ５卷 第６期
· 综述 ·
高性能计算的发展现状及趋势
张军华 ① 臧胜涛 ① 单联瑜 ② 石林光 ②
（ 华东 ） 地球资源与信息学院 ， 山东青岛 ２ 山东东营 ２ ） ６ ６ ５ ５ ５；② 中国石化胜利油田物探研究院 ， ５ ７ ０ ２ ２ ① 中国石油大学 （
计算需求和应用现状 ， 主要包括高密度地震勘探 、 叠
１ 引言
地震勘探是高性能计算最重要的应用领域之 一， 同时高性能计算 也 是 推 动 勘 探 技 术 进 步 的 主 要 动力之一 。 随着勘探对象的复杂化和勘探要求的日 益精细化 ， 以及地 震 资 料 的 采 集 、 处 理、 解释技术的 发展 ， 尤其是高密 度 、 超 万 道 地 震 采 集 技 术 的 应 用， 地震勘探的数据 量 和 地 震 数 据 的 计 算 量 不 断 增 加 ， 这就使得人们对高性能计算提出了更高的要求 。 纵 观高性能计算机的发展 ， 从早期的标量计算机 、 向量 机、 并行计 算 机 ， 到如今的 Ｐ 超 级 计 算 机、 Ｃ 集 群、 每一种产 品的 Ｇ Ｐ Ｕ 计算 、 Ｆ Ｐ ＧＡ Ｓ 可重构计算技术 ， 出现都使 得 相 应 时 期 的 石 油 勘 探 技 术 得 到 快 速 发 展 。 进入新世纪以来 ， 随着新材料 、 新技术的不断进 步， 高性能计算 产 品 更 新 换 代 的 频 率 明 显 加 快 。 由 于计算机工业发展 日 新 月 异 ， 所以关注高性能计算 的发展动态及其在 地 震 勘 探 中 的 应 用 前 景 ， 具有十 分重要的现实意义 。 在跟踪和分析国内外高性能计算机的发展现状 的基础上 ， 本文阐述 了 地 球 物 理 勘 探 领 域 对 高 性 能
Ｌ ｉ ｎ ａ ｃ ｋ值 ｐ （ ） Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ １ ７ ５ ９ ． ０ ０ １ ０ ４ ２ ． ０ ０ ８ ３ １． ７ ０ ８ ２ ５． ５ ０ ５ ６ ３． １ ０ ５ ４ ４． ３ ０ ４ ７ ８． ２ ０ ４ ５ ８． ６ １ ４ ３ ３． ２ ０ ４ ２ ３． ９ ０ 峰值速度 （ ） Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ ２ ３ ３ １ ． ０ ０ １ ３ ７ ５． ７ ８ １ ０ ２ ８． ８ ５ １ ０ ０ ２． ７ ０ １ ２ ０ ６． １ ９ ６ ７ ３． ２ ６ ５ ９ ６． ３ ８ ５ ５ ７． ０ ６ ５ ７ ９． ３ ８ ４ ８ ７． ７ ４
张军华 ， 臧胜涛 ， 单联瑜 ， 石林光 ．高性能计算的发展现状及趋势 ． 石油地球物理勘探 ， （ ） ： ２ ０ １ ０， ４ ５ ６ ９ １ ８～９ ２ ５ 摘要 地震勘探是高性能计算最重要 的 应 用 领 域 之 一 。 本 文 通 过 跟 踪 国 内 外 高 性 能 计 算 机 的 发 展 动 态 ， 分析 展 望 高 性 能 计 算 的 发 展 趋 势， 得 出 了 以 下 结 论 和 认 识： 地球物理勘探领域对高性能计算的需求 和 应 用 现 状 ， ① 高性能计算机今后发展趋势是向多核方向发展 ； 叠 ② 目前地震勘 探 对 高 性 能 计 算 的 直 接 需 求 是 叠 前 深 度 偏 移 、 以及单点高密度勘探技术 ； 尤其是新建的 Ｃ 前反演和全波形反演 ， Ｐ Ｕ 技术具有广阔的应 用 前 景 ， ＵＤ Ａ 架构 ③Ｇ 完善了软件开 发 环 境 ； （ ， 现场可编程门阵列） 的可重构技术， 既 Ｐ Ｇ Ａ ｓ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄＰ ｒ ｏ ｒ ａ ｍｍ ａ ｂ ｌ ｅＧ ａ ｔ ｅＡ ｒ ｒ ａ ｓ ④基于 Ｆ ｇ ｙ 又有软件的灵活性 ， 采用此项技术可以大大 提 高 计 算 速 度 ； 传统集成电路技术等 有硬件的计算性能 ， ⑤ 受功耗、 制约 ， 单Ｃ 开发新材料、 完善计算机封装结构成为提高计算性能的新途径， 光电 Ｐ Ｕ 性能提高有很大的局限性， 硅光子器件 、 内存 ＋Ｃ 发 展 前 景 看 好； ） 是在分 二极管 （ Ａ Ｐ Ｄ） Ｐ Ｕ 的 ＭＣ Ｐ 封 装 结 构， Ｃ ｌ ｏ ｕ ｄＣ ｏ ｍ ｕ ｔ ｉ ｎ ⑥云计算（ ｐ ｇ 布计算 、 并行计算 、 网格计算等基础上发 展 起 来 的 一 种 全 新 的 数 据 密 集 型 超 级 计 算 模 式 ， 该技术将在海量数据 的高性能计算方面有很好的应用前景 ； 目前硬件技术发展日 ⑦ 计算性能的提高依赖 于 软 硬 件 一 体 化 整 体 发 展 ， 新月异 ， 但软件开发及应用相对滞后 ， 大力发展软件产业是解决以上问题的必由之路 。 关键词 高性能计算 Ｇ Ｐ Ｕ Ｆ Ｐ ＧＡ ｓ 云计算 高密度勘探 叠前深度偏移 全波形反演
５卷 第６期 第４
源自文库
张军华等 ： 高性能计算的发展现状及趋势
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３］ 超级计算机 ， 荣 登 榜 首［ 。安装在美国能源 部橡 树
而Ｘ 存容量为８ Ｇ Ｂ， Ｔ ５ 每个节点内存容量为 １ ６ Ｇ Ｂ， 在机柜系统内为用户提供 总共 ３ ６ ２ Ｔ Ｂ 的高速内存 。 两个系 统 都 通 过 Ｓ ／ 连 ｃ ａ ｌ ａ ｂ ｌ ｅＩ ＯＮ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ（ Ｓ Ｉ ＯＮ） 接起来并与 Ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ文件系统相连接 。 ｐ
其设计浮点运算速度峰值为 的２ ０ Ｇ Ｂ 的网络 互 联 ， ， ， 效率 ２ ３ ３ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ Ｌ ｉ ｎ ａ ｃ ｋ测试速度达到１ ８ ０ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ ｐ ｐ 大于 ７ ０％ 。 第 一 台 国 产 超 千 万 亿 次 的 超 级 计 算 机 “ 天河一号 ” ， 在２ 峰值速度为 ０ ０ ９年１ ０ 月正式亮相 ， ， ， １ ２ ０ ６ ． １ ９ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ Ｌ ｉ ｎ ａ ｃ ｋ实测速度为５ ６ ３． １ Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ ｐ ｐ 使“ 天河 一 号 ” 计算机在最新的全球高性能计算机 成为中国超级计算机 ５ ０ ０ 强中占据 了 第 五 的 位 置 ， 之 首（ 表２） 。 虽 然 在 研 制 之 初 ，出 于 成 本 方 面 的 考
国内也 在国外高性能 计 算 机 高 速 发 展 的 同 时 ， 取得了 丰 硕 的 成 果 ， 正在逐步缩小与世界先进水 平高性能 计 算 机 之 间 的 差 距 。 尤 其 是 曙 光 ５ ０ ０ ０ Ａ 和“ 天河 一 号 ” 的 问 世， 使我国一跃成为高性能计 算的强 国 。 曙 光 ５ ０ ０ ０ Ａ 高性能计算机采用四核 （ 主频１． ） 处理器 ， 采用基于刀 ＡＭＤＢ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｏ ｎ ａ ９ ＧＨ ｚ 片架构 的 Ｈ 共有３ Ｐ Ｐ 体 系 架 构， ０ ７ ２ ０ 颗 计 算 核， 采用低延迟 １ ２ ２． ８ ８ Ｔ Ｂ 内存 ， ７ ０ ０ Ｔ Ｂ 数 据 存 储 能 力，
华东 ） 地球资源与信息学院 ， ２ ６ ６ ５ ５ ５ 山东省青岛市中国石油大学 （ 本文于 ２ 修改稿于同年 ９ 月 １ ０ １ ０年４月２ ３ 日收到 ， ８ 日收到 。
前深度偏移 、 叠前反演和全波形地震反演等方面 ； 介 即Ｇ 绍了 高 性 能 计 算 方 面 的 两 个 新 突 破 ， Ｐ Ｕ 技术 和Ｆ 最后 ， 对高性能计算发展趋势进行 Ｐ ＧＡ ｓ技术 ； 阐述了单核 Ｃ 分析了其固 了展望 ， Ｐ Ｕ 的 最 新 进 展， 有的局限性 ， 指出 高 性 能 计 算 可 在 计 算 机 存 储 器 的 封装结构及新材料方面寻求新的突破 。
Ｌ ｉ ｎ ａ ｃ ｋ值 ｐ （ ） Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ ５ ６ ３ ． １ ０ ０ １ ８ ０ ． ６ ０ ０ １ ０ ６ ． ５ ０ ０ ３ ８ ． ７ ９ ０ ３ １ ． ０ ４ ９ ２ ４ ． ６ ７ ０ ２ ２ ． １ ４ ０ ２ ０ ． ６ ４ ４ １ ８ ． ６ ０ ０ １ ８ ． １ ４ ７ 峰值速度 （ ） Ｔ ｆ ｌ ｏ ｓ ｐ １ ２ ０ ６ ． １ ９ ０ ２ ３ ３ ． ４ ７ ２ １ ４ ５ ． ２ ９ ３ ７ ２ ． ５ ４ ０ ４ ０ ． ３ ２ ０ ５ ３ ． ６ ２ ６ ４ ７ ． ６ ２ ０ ２ ９ ． ４ ９ １ ３ ８ ． ２ ２ ４ ３ ７ ． ７ ２ ７
表 ２ ２ 仅列出部分 ） ０ ０ ９年１ １ 月中国高性能计算机 ２ ５ 强排名表 （ 序号 １ ２ ３ ４ ８ １ ６ １ ８ １ ９ ２ ３ ２ ５ 安装地点 天津国家超算中心 上海超级计算中心 中国科学院超级计算中心 网络公司 计算物理国家重点实验室 中石油川庆钻探物探公司 中石油大庆物探公司 中国石油大学 （ 北京 ） 中石化胜利油田物探研究院 中石油东方地球物理公司 系统名称 天河一号 曙光 ５ ０ ０ ０ Ａ 深腾 ７ ０ ０ ０ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ ２ 曙光 ５ ０ ０ ０ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ １ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ １ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ ２ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ １ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒＨ Ｓ ２ １ Ｃ Ｐ Ｕ 核数 ７ １ ６ ８ ０ ３ ０ ７ ２ ０ １ ２ １ ６ ０ ７ １ ６ ８ ３ ３ ６ ０ ５ ０ ４ ０ ４ ４ ６ ４ ３ ０ ７ ２ ４ ０ ９ ６ ４ ０ ４ ８