超级计算机的现状、应用及展望
摘 要 超级 计算 机是一个国家科研实力的体现，它对国家安全， 经济 和 社会 发展 具
有举足轻重的意义。就世界和我国超级计算机的现状、用途分别进行了 分析 和阐述，并
探讨超级计算机的发展方向。
关键词 超级计算机 MPP 结构 NOW 结构
中图分类号
文献 标识码 A1 超级计算机的现状 1．1 超级计算机的分类超级计算机可分两类，采
用专用处理器或者采用标准兼容处理器。前者可以高效地处理同一类型 问题 ，而后者则
可一机多用，使用范围比较灵活、广泛。专一用途计算机多见于天体物 理学 、密码破译
等领域。国际“象棋高手”“深蓝”、日本的“地球模拟器”都属于这样的超级计算机。据统计，
500 强超级计算机有 232 个是非专用系统，服务于军事、医药、气象、 金融 、能源、环
境和制造业等众多领域。1．2 世界超级计算机的现状 目前 ，世界排名前 10 位的超级计
算机中美国有 7 台，但首位却是日本“地球模拟器”。该模拟器是 2002 年由日本电气公司
开发成功，每秒运速为 万亿次，曾长时间保持世界超级计算机运速的最快记录。这
一排名极大地刺激了美国，为此美国能源部赶快和 IBM 等公司合作研制，并于 2004 年 9
月开发成功了“地球模拟器”。日本也穷追猛赶并于 2004 年 10 月 20 日由日本电气公司宣
布，已开发成功世界运速最快的“SX-8”超级计算机，每秒运速为 58 万亿次，由 5/2 台计
算机连接在一起，中央处理器由日本电气公司提供。美国国防部立即启动一项计划：开发
一台每秒 1 000 万亿次超级计算机。而雄心勃勃的日本电气公司、东芝公司和日立制作所
三家合作，抛出了一个具体计划，即于 2010 年开发出每秒运速为 1 000 万亿次以上的超
级计算机，并且由日本东京大学牵头联合研制世界上最高速超级计算机“GRAPE-DR”，每秒
可运行 2 000 万亿次。1．3 中国 超级计算机的现状从 1978 年，邓小平同志在第一次全
国 科技 大会上说：“中国要搞四个 现代 化，不能没有巨型机！”此后，我国计算机专家奋
起直追，经过几十年不懈努力，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”、“神威”等高性能计算机
的出现，使我国成为继美国、日本之后第三个具备自行开发高性能计算机的国家。1983
年，“银河 I”在国防科技大学诞生；1992 年，“银河 II”10 亿次巨型计算机在长沙通过鉴定
；1997 年，由国防科技大学计算机 研究 所研制的“银河 III”并行举行计算机在北京通过国
家鉴定。“银河 III”并行巨型计算机袭用在用访存指令直接访问全局共享分布存储器，基于
三维环网拓扑的宽带、低延迟通信、MPP 资源管理与处理机调度、可移植 PDI 框架的并行
I/O 软件、面向多种语言、多目标机的具有统一中间代码结构的高性能优化编译，巨型计
算机高性能 网络 软、硬件设计等技术方面属于领先水平，系统综合达到当前国际先进水
平。1993 年，曙光 1 号由国家智能中心推出；1995 年 5 月，曙光 2 号推出；此后陆续
在 1998 年、1999 年推出“曙光 2000—I”、“曙光 2000-II”超级服务器。而 1999 年研制出
的“神威”，其高性能主要表现在，它是一种可缩放大规模并行计算机系统，其峰值运算速
度可高达每秒 3 840 亿浮点结果，位居当今全世界已投入商业运行的前 500 位高性能计
算机的第 48 位。2 超级计算机的用途推动其发展超级计算机的 应用 十分广泛，其主要包
括计算密集型(如大规模工程计算和数值模拟)、数据密集型(如数据仓库和数据采集)以及通
信密集型(如协同工作和远程遥控)三个方面。超级计算机的进步极大地推动了这些应用的
发展；反之，这些应用领域不断出现的新需求又直接地刺激了超级计算机的研究与开发。
美国能源部（DOE）的“加速战略计算创新”(AS-CI)计划是在全面禁止核试验的情况下，为
了保持它的核威慑能力和核垄断地位而提出的一项创新计划。通过该计划，美国采用以计
算为基础的 方法 代替以地下核试验为基础的方法，利用数字方程和三维建模仿真核武器
爆炸的效果，确保现有库存核武器的性能、安全和可靠性。ASCI 共投资 10 亿美元，主要
参与者有 SNL、LANL、LLNL 三个国家实验室和 Utah、Illinois、Stanford、Chicago、
CalTech 五所大学，在 工业 界选择了 IBM、Intel 和 SGI/Cray 三个合作伙伴。ASCI 计划将
为 DOE 提供 5 台 1-100TFLOPS 的超级计算机。第一台是 Intel 公司 1996 年宣布的
“ASCI 红色”，现已在 SNL 安装使用；1998～1999 年完成两台 3 万亿次量级的
系统，即上面提到的“ASCI 蓝色太平洋”和“ASCI 蓝山”，它们将分别安装在 LLNL 和 LANL；
去年 2 月份 IBM 又与 DOE 签约，定于 2000 年完成由 8 000 个处理器构成的 lOTFLOPS“
白色选择”，届时该系统也将安装在 LLNL。此外，DOE 的规划还确定 2001 年将完成
30TFLOPS，2004 年实现 100TFLOPS。为了解决 10-100TFLOPS 机器的关键技术，DOE
在去年又推出了 ASCI 的一个补充计划——Pathforward 计划，该计划拟解决 4 项关键技术
:可扩展互连技术；分布式并行操作系统；并行程序调试和性能监测环境；大容量数据存
储技术。
印度虽只是一个 发展 中国 家，但它对超级 计算 机在核武器研制中的 应用 十分重视。
印度政府认为，超级计算机为印度提供了在计算领域与发达国家进行平等竞争的机会。为
了不受制于发达国家的禁运，印度政府制定了 Param 计划，具体由印度先进计算技术开
发中心(C-DAC)负责执行。该计划至今已先后推出了 Param 8000、 8600、9000 和
10000 系统，尤其是 1998 年推出的 Param 10000 系统综合了 NOW(工作站 网络 )、
COW(工作站群)和 MPP(大规模并行处理)结构的优点，具有良好的可伸缩性，可提供台式
机至 TFLOPS 级的性能。Param 10000 最高配置 1000 个节点，每个节点含 4 个 300
MHz 的 U1traSPARC-II 处理器。据 分析 ，印度政府去年 5 月份之所以冒天下之大不题，
连续 5 次进行核爆破，其重要目的之一就是要为它新研制的超级计算机提供各种实际核试
验数据，为将来利用超级计算机进行实验室模拟打下坚实的基础。技术侦察是世界各国都
非常重视的军事领域，为了能及时有效地对侦察到的各种信号、密码进行处理和破译，技
术侦察部门往往都配备了非常先进的超级计算机处理系统。例如，美国国家安全局配备的
超级计算机以 的总计算能力高居因特网不久前发布的世界计算能力最强
站点排名表之首，尤其是它的 T3Ei200 LC1080 和 T3E900 LC1328 分别达到了
和 的峰值性能。此外，为了以超级计算机为辅助手段提
高武器性能、部队战斗力和防卫系统的水平，美国国防部(DOD)投资 20 亿美元，制定了
为期 8 年的“高性能计算 现代 化计划”(HPCMP)。该计划分 10 个领域，包括计算流体动力
学、计算化学和材料 科学 、大气、海洋建模和模拟等。HPCMP 计划的策略是采购市场上
最先进的软、硬件系统构成超级计算机。美国政府曾在 1994 年专门成立了一个千万亿次
机应用 研究 小组，研究结论是有 12 个领域的 62 种应用需要千万亿次级计算机，它们都
是国民 经济 、国家安全和基础科学研究方面的重大 问题 ，例如天文模拟、飞机大涡流模
拟、能量研究等。为此，美国政府在 1998 年度的“计算、信息与通信”(CIC)计划蓝皮书中
，已正式将千万亿次超级计算机的软、硬件研究列入计划。CIC 计划是 1997 年由著名的“
高性能计算与通信”(HPCC)计划扩展而成的一项战略性研究计划，具体由美国国家科学技
术委员会负责管理实施，美国能源部、国防部、 教育 部、国家科学基金会、航空航天局
、环境保护局等 12 家单位参与了该项计划。另外，日本东京大学也已计划在未来 5 年时
间内研制出专门用于天体物理中多体问题计算的 GRAPE-6 专用超级计算机，若该计划能
如期完成，它将是世界上第一台峰值性能达到千万亿次量级的超级计算机。3 超级计算机
的展望 MPP 结构仍是主流体系结构 MPP 系统由于突破了冯·诺伊曼机顺序执行的限制
，系统性能随处理器数量增加而增强，能最大限度地提高计算速度，并且系统的性价比高
，为众多用户创造了使用超级计算机的条件。从最新 TOP500 排名表来看，峰值速度超过
3 000 亿次的 25 台超级计算机清一色为 MPP 系统。由此可见，MPP 系统在当今的超级
计算机市场已占据绝对优势，成为主流产品。其应用从科学和工程计算领域扩展到事务处
理、决策支持等方面。 SSMP 成为开发热点 MPP 系统的可伸缩性与可编程性一直是一
对非常突出的矛盾。NUMA（非均匀存储访问)结构为可伸缩性提供了有效的解决 方法 ，
传统的 SNIP 结构则在可编程性方面具有明显的优势，这两种思想的结合形成了 SSMP(可
缩放共享存储多处理)体系结构，使可伸缩性与可编程性得到较好的统一，成为实现超级
计算机的有效途径之一。 向量机继续发展 20 世纪 80 年代，以 Cray 系列为代表的向
量机一直是超级计算机领域的主流产品，它占据着超级计算机 90%的市场。进人 90 年代
以后，由于受物理极限的限制，向量机的时钟周期进一步提高难度很大，加上研制周期长
、开发成本高等诸多因素，向量超级计算机开始走下坡路。对此，业界曾有人预言:向量
机(包括 PVP)已日落西山，最终会被市场淘汰。然而从 1998 年 SGI/Cray 和 NEC 公司的行
动来看，向量超级计算机的前途并非如此暗淡。SGI/Cray 于 2005 年 6 月 16 日公布了其
新的 SV1 系列向量超级计算机。该系列采用 CMOS 结构，处理器峰值速度为 4GFLOPS，
单机柜节点峰值性能达到 32GFLOPS，系统在最高配置时峰值性能为 1 TFLOPS，存储容
量达到 ITB；运行第十代 UN I-COs 操作系统，不受“2000 年问题” 影响 。SV1 系统的性价
比是当前市场领先向量系统的 9 倍，它是 SGI/Cray 公司发展超级计算机计划中的一个重
要里程碑。 NOW 结构前景广阔通过高速网络将高性能的工作站互连起来，构成支持并
行计算的工作站机群系统是获得廉价的巨大计算能力的一种有效方法，它与直接构造 MPP
系统相比，在结构的可伸缩性、系统的可用性和性价比等多方面有着更大的优势。组成
NOW 的工作站和互连网络可以是同构的，也可以是异构的；互连网络通常采用 LAN，如
以太网、令牌环网、FDDI 等，也可以采用 TM 网络。NOW 当前的一个主要应用方向是并
行 Web 服务器，由于 Internet 的迅猛发展，传统的 Web 服务器难以承受负载的不断增加
和负载的多样性，利用 NOW 对用户提供并行服务，实现分布负载，缩短响应时间，是很
好的解决方法。4 结语 2004 年是万亿次量级超级计算机蓬勃发展的一年。在推出的众多
新产品中，以通用微处理器为基础的 MPP 结构仍占据主流地位。但以 Cray SV 系列、富
士通 VPP 系列以及 NEC SX 系列为代表的 PVP 结构由于相关应用的需求，也显示了强劲的
发展势头。在未来的几年中，受政府行为和市场需求的双重推动，超级计算机将向着更高
的性能目标迈进。同时，随着半导体技术的发展趋于极限，基于一些新材料、新工艺的非
传统超级计算技术，例如光互连技术、超导体计算机、分子计算机和量子计算机等也将蓬
勃兴起。 参考 文献 1 李峰.日本开发出每秒运算次数达 58 万亿次的超级计算机[J].功能
材料信息，2005（1）2 禾刀.第 27 次世界 TOP500 超级计算机发布[J].高性能计算技术，
2006（3）3 杜晓梅.第 25 次世界 TOP500 超级计算机发布[J].高性能计算技术，2005（3
）4 曹来发.超级计算机[J]. 科技 情报开发与经济，2005（7）
