中国科技实力现状_高性能计算体现科技实力

　　一个国家高性能计算能力的大小取决于高性能计算机、高性能计算应用、高性能计算软件的发展水平以及跨学科高性能计算人才。 　　按照2005年11月新出版的《计算机科学技术百科全书》的定义，高性能计算就是“用高速计算机系统解决复杂问题的计算方式”。鉴于这里的“高速计算机”和“复杂”并没有具体的定义，所以高性能计算实际上是一个“相对”的概念。
　　高性能计算来源于高性能计算机，而高性能计算机的快速发展和摩尔定律有密切的联系。摩尔定律反映了计算机的计算能力随着时间的推移会有指数量级的提高。比如，1993年6月进入世界超级计算机排行榜TOP500的所有500台超级计算机的计算能力之和，只和2005年6月排在最后一位的一台超级计算机的性能相当，况且将500台计算机的计算能力简单相加得到的能力之和，实际上在性能上是根本无法和一台具有相同指标的计算机相抗衡的。这反映出高性能计算机发展的迅猛势头，它也提醒我们在高性能计算领域存在着激烈的竞争和快速淘汰过程。
　　
　　高性能计算体现国家综合实力
　　
　　从总体上说，高性能计算的发展水平是一个国家综合国力和竞争力的重要体现，在一定程度上，它的作用和国民生产总值GDP（Gross Domestic Production）的作用可以进行类比。
　　比如，自从1993年TOP500排行榜建立以来，进入TOP500的超级计算机中美国一直占一半左右，作为世界头号技术和经济超级大国，这充分说明了美国在高性能计算领域的雄厚实力。拿2006年6月的最新统计结果来说，超级计算机拥有量排在前5名的国家分别是，第一名美国占59.8%，第二名英国占7%，第三名日本占5.8%，第四名中国占5.6%，第五名德国占3.6%。中国进入前5名，充分说明了中国近年来在高性能计算领域的飞速发展，也从另一个方面说明了中国在经济上的腾飞。
　　高性能计算主要服务于两个最终的目标，一个是国家战略高科技，它涉及到国家的长期利益和根本安全问题; 一个是产业高科技，它涉及到国家当前企业的活力与竞争力的问题。
　　没有高性能计算，美国就没有办法开展核爆炸模拟研究，就无法保持其核威慑，其超级大国的地位就会受到严重挑战。没有高性能计算，就没有中国的两弹一星，就没有中国的载人航天，中国的探月计划也就不可能提到议事日程上来，我国能够在世界舞台上发挥越来越重要的作用，和我国在自主高性能计算技术支持下开展的战略高科技上所取得的成果是密不可分的。
　　而对产业高科技而言，作用更是明显。比如高精密度的快速计算模拟可以帮助气象服务、航空航天、制造、石油勘探、新材料、新药物等行业节省大量的成本，加快研制和生产周期，提高生产效率，这都是以高性能计算的支撑为前提的。
　　
　　高性能计算的几个要素
　　
　　一个国家高性能计算能力的大小取决于以下几个要素: 高性能计算机、高性能计算应用、高性能计算软件以及跨学科高性能计算人才。其中，高性能计算机是依托，高性能计算软件和高性能计算人才是基础，高性能计算应用是目的。
　　
　　1.高性能计算机
　　按照TOP500中的分类，目前的高性能计算机主要有如下几种类型:
　　集群式系统（cluster），这在2006年6月的排行榜中已经占到72.8%;
　　大规模并行处理系统（MPP），这在2006年6月的排行榜中占到19.6%;
　　星群系统（constellation），这在2006年6月的排行榜中占到7.6%。
　　集群式系统具有研制周期短、性价比高、易扩展等优点，已经成为目前高性能计算的主流，这主要得益于它所采用的通用与标准化的技术路线。组成集群式系统的计算结点和互连网络都是通用和标准化的，是直接可以从市场上购买到的，不需要一切从头进行设计和生产，这就直接导致了它具有下面几个优势:
　　（1） 研制周期短。集群式系统是一种积木块式的高性能计算机构造方式，它的组成部件都是现成的，设计者需要做的就是根据需求和预算，在可选的结点/网络中进行比较、优化和调整，实现快速组合;
　　（2） 性价比高。以前的高性能计算机因为专业化程度太高、不能大批量规模化生产，导致了高成本和高投入，所以研制的高性能计算机价格昂贵，但通用和标准化部件的采用，一方面大大降低了成本，另一方面，通用部件的计算速度和通信速度都在呈指数增长（通信领域的摩尔定律），这种成本不断降低和性能不断提高的趋势，使得集群式系统的发展势不可挡，很快成为高性能计算的主角;
　　（3） 扩展性好。集群式系统的可扩展性直接取决于连接该系统的网络的性能和规模，只要网络在保持或者提高性能的前提下可以扩展规模，只需再添加相应的计算结点，集群式系统的性能和规模就可随着提高，因此非常容易扩展。
　　与集群式系统相比，大规模并行处理系统的研制难度高，周期长，不易扩展，而且一般也比较昂贵，但是它有一个重要优势就是可以取得比同等规模的集群式系统更高的性能。如果说集群式系统走的是一条通用化的路线，则大规模并行处理系统走的就是一条相对专用化的技术路线。集群式系统主要从摩尔定律得到性能的提升，而大规模并行处理系统除此之外还可以从一些专门的系统设计与专门技术上得到性能的提高。这种系统虽然昂贵，但是它能够存在的一个根本原因是有比较专业化的特定需求，因为某些专门的应用领域对计算机系统有特定的需求，比如有些应用需要特别大的共享内存，有些应用有特殊的通信模式，只有针对这些需求设计专门的机器，才能够满足实际应用的需求。
　　与前两者相比，星群系统走的就是一条中间道路。集群系统连接的是一些比较简单的小计算结点，如果把这些结点进行扩展与放大，达到大规模并行处理系统的规模和性能，然后再用集群的方式连接起来，这就是星群。集群连接的是一些小结点，而星群连接的是大系统。随着高性能计算应用领域的不断拓广，针对不同应用特点的高性能计算机系统会不断涌现，可以预见，将这些不同特点的高性能计算机连接起来的星群系统在高性能计算领域所占的比重会逐渐增加。
　　
　　2.高性能计算应用
　　高性能计算所涉及到的应用非常广泛，包括半导体、金融、地球物理学、天气与气候研究、计算流体动力学、天气预报等。根据2006年6月TOP500的最新统计数据，最主要的三个应用领域是工业生产（占51.4%）、科学研究（占23.6%）与高等教育（占16.6%）。
　　
　　3. 高性能计算软件
　　不管高性能计算机本身的硬件性能有多高，如果没有合适的软件支持，高性能计算机的功能就根本发挥不出来，也不能用它来有效地解决实际的问题。高性能计算软件包括系统软件和应用软件两大类，系统软件用来有效管理整个高性能计算机的资源，而应用软件是针对特定应用开发的专门软件。
　　从高性能计算机所采用的操作系统看，目前Linux占绝对优势，根据2006年6月TOP500排行榜的数据，使用Linux的大约占73.4%，使用Unix的大约占19.6%。在操作系统之上，几乎所有的高性能计算机都支持MPI（Message Passing Interface）并行编程环境，不管是Linux还是MPI，都是开源软件，由此不难看出，开源软件在高性能计算软件中的重要性。相信在不久的将来，将会有大量开源高性能计算应用软件涌现，而且在高性能应用软件中所占的比重会不断增加。
　　
　　4.高性能计算人才
　　高性能计算要想发挥作用，还必须和具体的应用相结合。在高性能计算机硬件的水平有了普遍提升和大幅度推广的情况下，既懂应用需求，又懂高性能计算知识的“复合”型人才就显得尤为重要，而相对其他方面的人才来说也更为缺乏。因此，高性能计算领域面临的一个重要问题就是“复合”型高性能计算人才的培养问题，尽管它是一个软指标，但是却是发展高性能计算最重要的一个指标。
　　
　　
　　我国高性能计算的现状
　　
　　我国在高性能计算领域所取得的成果是十分显著的。在高性能计算机的研制方面，首先是联想率先在2002年研制成功“深腾1800”集群式超级计算机系统，该系统在2002年11月的TOP500排行榜中位居43，跻身前50名，紧接着在2003年联想又研制成功了“深腾6800”超级计算机。该系统在2003年11月的TOP500排行榜中位居14，又跻身前15名。很快曙光研制成功了“曙光4000A”超级计算机系统，它在2004年6月的TOP500中排名第10，我国终于有一台自主研制的超级计算机进入了世界超级计算机的前10名，这是一个非常大的飞跃。清华大学和深圳大学联合研制的“深超－21C”超级计算机系统，在2003年11月的TOP500排行榜中名列163位，它是我国高校自主研制的第一台进入TOP500的超级计算机系统，展示了我国高校在超级计算机研制方面的实力。在短短2年的时间里，在集群式超级计算机系统研制方面我们取得了让整个世界为之震惊的成果。目前我国正在计划研制千万亿次的超级计算机，而目前由IBM研制的最快的超级计算机BlueGene/L 的速度是280.6万亿次。
　　我国顶尖高性能计算机在TOP500中的名次不断提升的同时，进入TOP500的高性能计算机的数量也在增加，从1995年6月只有1台（而且不是自主研制的），到2006年6月的统计结果已经达到28台，绝对数目虽然不太多，但是和世界其他国家相比，增速正在加快。
　　我国从1995年到现在，先后建立了近10个国家高性能计算中心，更令人高兴的是，我国众多的科研单位甚至是一些企业也开始建立自己的高性能计算机系统。另外，我国软件行业协会数学软件分会建立了中国超级计算机排行榜，2002年11月第一次发布排名情况，以后每年的11月发布一次，第一次只发布了50台超级计算机，以后数量扩展到100台。中国超级计算机排行榜的发布，引起了世界相关机构的高度重视，它一方面是中国高性能计算机快速发展的真实反映，另一方面也促进了中国高性能计算机的发展。
　　然而，与发达国家相比，我们还存在明显不足。
　　首先从高端技术看，我们的高性能计算机还是以集群式系统为主，这是一种相对比较成熟的技术，门槛比较低。其次，从低端看，我国高性能计算总体的应用水平还比较低，推广普及程度还远远不够，使得我国高性能计算的发展缺乏足够的动力。
　　从高性能计算软件看，我国的高性能计算机软件特别是应用软件的水平低下，这严重制约了我国高性能计算机应用的效果，而这需要跨学科高性能计算人才的培养以及长期的积累。
　　从高性能计算的人才看，一方面，我国专门从事高性能计算研究的人才积累不如国外; 另一方面，在跨学科高性能计算应用人才方面，我们国家和国外发达国家的差距尤为明显。 我们的科研人员往往缺乏跨学科的合作意识，有需求的人不知道如何使用高性能计算机，而会使用高性能计算机的人又对需求缺乏深刻的理解。人才的差距是我们和国外发达国家最重要的一个差距。为此，中国计算机学会高性能计算专业委员会在2005年7月30日发出了“关于推动我国高性能计算发展的倡议书”，在倡议书中，呼吁政府加大对高性能计算的投入，各种单位与职能部门密切结合，加大对国产高性能计算机的支持。作为一个专业委员会，它更多关注的是该领域存在的问题，但是只要我们正视这些问题，全社会共同努力，我国高性能计算蓬勃发展的局面就不会是昙花一现，它将逐步走上健康、稳步而快速发展的轨道，为我国的经济腾飞和社会进步做出独特的贡献。
　　
　　作者简介
　　都志辉
　　博士，清华大学计算机系副教授，高性能计算技术研究所副所长，主要研究方向是网格计算与高性能计算，出版了我国第一本介绍MPI并行程序设计和第一本介绍网格计算的图书。
　　
　　链接:世界主要超级计算机供应商
　　IBM: 目前的主要产品包括P69X系列、BlueGene 系列以及HPC集群系统，IBM拥有目前排名第一的超级计算机Blue Gene/L系统。
　　HP: 主要产品包括SUPERDOME系列和HPC集群系统。近年来，HP公司逐渐转向使用通用芯片，如Intel的Itainum 2处理器。
　　SGI: SGI是一个专注于工程与科学计算的厂商。目前的主要产品包括Altix系列，采用Intel的Itanium 2处理器和Linux操作系统。与其他公司产品不同之处在于，SGI使用Numa-Link的高速互连网络使得整个系统成为一个CC-Numa系统。
　　CRAY: CRAY是向量超级计算机的代表。CRAY曾一度被SGI公司收购，近年来CRAY又从SGI中独立出来。高速互连网络、可配置的加速器是目前CRAY公司的特色技术。
　　Sun: Sun公司具有自主的SPARC结构的处理器和Solaris操作系统，SUN公司的SMP服务器占有较大的市场份额。
　　曙光: 目前主要提供曙光4000系列超级计算机。峰值速度超过10TFLOPS的曙光4000A安装在上海超级计算中心，在世界高性能计算机500强排行榜上曾达到过第10名的位置，是我国自主研制的超级计算机的最高记录。
　　联想: 联想公司目前主要提供深腾系列超级计算机。峰值速度超过4TFLOPS的深腾6800安装在中科院网络中心，在世界高性能计算机500强排行榜曾达到过第13名的位置。
　　浪潮: 浪潮研制了天梭系列高性能服务器系统，安装于山东大学的天梭10000的实测速度超过750Gflops。