TOP500创始人谈高性能计算发展的主要趋势

2009年国际超级计算大会主席汉斯•缪尔(Hans Meuer)与德国Prometeus公司咨询专家霍斯特•基尔特(Horst Gietl)撰文总结了目前超级计算领域的主要发展趋势，探讨了多核/众核、并行计算、GPU、绿色IT、能效、数据、云计算等关键问题。

高性能计算正在变得与计算密集型应用越来越密不可分，已成为量子力学物理、天气预报、气候研究、分子建模、物理仿真、密码分析、石油勘探等领域的重要手段，而只有千万亿次(Petaflops)级别的高性能计算系统才能帮助这些领域取得更加精湛的成就。根据全球高性能计算500强排名的性能指向，100 Petaflops的系统将于2016年出现，而且百亿亿次(Exascale)级别的高性能计算系统有可能于2019年出现。

然而在近期，高性能计算系统的发展趋势包括低成本、低能耗、支持并行编程和支持代码的有效迁移。

1.用多核/众核CPU组建大规模集群系统

未来高性能计算系统将不仅仅依靠扩展系统规模、提高单个处理器的性能来提高整体性能，还需要应用多核/众核技术。

未来的集群系统将包含数百个至数百万个计算内核，这将对并行软件开发、系统容错和硬件可靠性提出很高要求。

但所有多核/众核系统都将面临的真正问题是内存带宽可能不足。 解决内存访问问题的一项适宜的方案为“one Byte per Flop and Core”，目前的水平是采用Intel公司的Nehalem处理器可以实现“half a Byte per Flop and Core”。

多核/众核技术的进一步发展将开发动态多核处理器，通过改进不同类别的硬件架构以满足并行计算的要求，甚至开发矢量扩展指令集多核处理器。伴随多核技术的应用，并行计算也已成为不可或缺的因素。

2.并行计算不可或缺

组成高性能计算系统的部件数量不断增长，因而需要加大应用程序的并行性。这是一项艰巨任务，因为大多数先期程序都是在单核技术条件下开发的，需要重写。

并行程序比顺序程序更难编写，不同任务间的通信与同步是最常见的难点之一。并行编程工具的发展已远远落后于高性能计算硬件的发展。对于每个需要在多核系统上运行的程序，并行化都是关键点。另外将顺序程序向并行系统的迁移仍然有待解决。

不在并行编程方面开展大量工作就无法充分发挥多核处理器的优势，许多应用程序也就不能在高性能计算机上获得加速。

3.GPU与多核CPU的竞争

多核CPU正面临着GPU的强烈竞争。GPU具有三大基本优势：运算速度更快，速度提升也更快；成本更低；能耗比CPU低。但是GPU存在局限性，它们仅适用于一部分类型的任务。最初GPU专为图像处理而设计，主要用作处理数据流。

目前业界看好GPU是因为它有以下几个方面的潜力。首先，AMD与Nvidia的GPU已经实现了每秒百万亿次浮点计算的性能，而通常的多核CPU还无法给出这种表现。

GPU面临的现实问题是无法采用对x86、Sparc、Power等类型的CPU的常用编程方法。Nvidia推出了CUDA，使得在不使用图形处理专用API的条件下可以使用标准C或Fortran对其GPU编程。

对于高性能计算系统近期的发展，两位专家认为将出现专用CPU和GPU相结合的硬件架构。

4.绿色IT与能耗

百万亿次级以上的高性能计算系统的能耗都很巨大。如果任凭当前的能耗趋势发展下去，那么未来4至5年内高性能计算中心的能耗将翻番。根据推断，未来的百万万亿次级高性能计算系统的能耗将高达数百兆瓦。因此不论是各高性能计算中心的负责人，还是各次高性能计算会议，能耗都是关注的焦点。

高性能计算机制造商与数据中心将更加重视能效问题，降低能耗已成为必然选择。有种意见认为不应该浪费服务器散发出来的热，可以通过冷却水回收，并用于建筑供暖。

5.数据存储

近年来固态存储器(SSD)领域取得了许多进展，它的优点包括：没有机械部件，比常规硬盘更快、更稳定，可以切换到低能耗模式，性能/能耗比明显更高。如果固态存储器成本能降低到一定程度，那么将成为高性能计算系统最佳的选择。

6.IBM“红杉”超级计算机

2011年IBM将为美国劳伦斯利物摩尔国家实验室研制完成“红杉”超级计算机，它将以160万颗Power处理器和1.6PB的内存实现超过20 Petaflops的峰值运算能力，但能耗仅为6兆瓦，其性能/能耗比将成为一个新的标准。

7.云计算成为焦点

过去25年，Sun公司一直在倡导 “网络即计算机”的观念，而云计算在2009年的发展将使得这个观念无比趋于真实。将于6月23日至26日在德国汉堡举行的2009年国际超级计算大会将重点举行“高性能计算与云计算：合作还是竞争？”分会，Google、Amazon、Yahoo、Microsoft、IBM、HP、Sun等公司将发表观点，并讨论云计算的发展。