超级计算机
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超级计算机（-{Supercomputer}-）是一种领先世界的電子計算機。它的体系设计和运作机制都与人们日常使用的个人电脑有很大区别。现有的超级计算机運算速度大都可以达到每秒万亿次以上。因此無論在運算力及速度都是全球頂尖。超级計算第一次被使用是在“紐約世界”於1920年關於萬國商業機器為哥倫比亞大學建造製表機的報導。
1960年代，超級電腦由希穆爾·克雷在控制數據公司裡設計出來並帶領市場直到1970年代克雷創立自己的公司克雷研究。憑著他的新設計，他控制了整個超級電腦市場，站在這個顛峰位置長達五年(1985-1990)。在1980年代，大量小型對手加入競爭，正值小型電腦市場萌芽階段。在1990年代中葉，很多對手受不了市場的衝擊而消聲匿跡。今天，超級電腦成了一種由像国际商用机器公司及惠普等傳統公司所特意設計的電腦。雖然這些公司透過不斷併購增強自己經驗，但克雷研究依然專業於超級電腦設計。
其實超級電腦一詞定義不清，隨時間演進，昨是而今非。控制數據公司的早期機器都是非常快的純量處理器，是其他公司的最快電腦十倍速度。1970年代，大部分超級電腦都是向量處理器，很多是新晉者自行開發的廉價處理器來攻佔市場。1980年代中葉，適量的向量處理器並行地操作成為標準。一般由8個到16個不等。1980年代初期，注意力由向量處理器轉向大規模並行運算系統，由成千上萬的普通處理器所組成。今天，並行設計建碁於精簡指令集（RISC）處理器，譬如 PowerPC或PA-RISC及互聯的電腦叢集。
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[编辑] 軟件
分散式運算所用的軟件包括一些標準的應用編程介面（如信息傳遞介面及並行虛擬機器）及開放源碼軟件。例如openMosix可以把很多普通的電腦聯合成虛擬超級計算器。零設定技術方便了即興建立電腦叢集，而為超級電腦製作容易的編程語言仍然是運算科學的研究課題。
[编辑] 用途
超級電腦常用於計算密集的工作，譬如天氣預測、氣候研究、運算化學、分子模型、物理模擬、密碼分析等等。
[编辑] 設計
超級電腦的創新設計在於把複雜的工作細分為可以同時處理的工作並分配於不同的處理器。他們在專門的運算表現突出，在處理一般工作時卻差強人意。他們的記憶結構是經過小心設計來確保數據及指令及時送達。這微小的差別可以導致運算能力的巨大差別。輸入／輸出系統也有特殊設計來提供高頻寬，但是延緩時間卻不很重要，因為超級電腦不是用來處理交易。
根據Amdahl's law，超級電腦的設計都集中在減少軟件上的序列化、用硬體在瓶頸上加速。
[编辑] 挑戰與科技
- 超級電腦常產生高熱，需要冷卻。冷卻是很大的HVAC問題。
- 資訊傳送不能比光快。幾米的距離導致幾十納秒的延誤，而克雷著名的環型設計保持了最短距離。
- 超級電腦在短時間耗用及生產大量數據，需要投入很多資源確保資訊妥善傳送及存取。
因超級電腦而開發的科技：
- 向量處理器
- 水冷技術
- 非均勻訪存模型(NUMA)
- 資料分割 (RAID)
- 並行存取檔案系統
[编辑] 處理技術
向量處理因超級電腦而建立並用於高性能運算。向量處理技術後來被用於普通電腦內的信號處理架構及單指令流多數據流（SIMD）。例如：電視遊樂器、圖像卡等。
[编辑] 操作系統
超級電腦操作系統雖然是UNIX的變種，但比較小型電腦的複雜一點。一般都傾向減少開發它的用戶介面因為可以減少浪費資源在不必要的工作上。同樣的道理應用到價值幾百萬的電腦身上。這個慣例延續到超級電腦，例如SGI都會使用NVIDIA。NVIDIA製造廉價、多功能、高性能的產品。
1980年代初期，超級電腦通常會為了追求性能而犧牲指令集的兼容性及運載速度。它們會使用不同類型的操作系統。雷克－１曾使用6個專屬操作系統及並行向量版本的FORTRAN編譯器。
[编辑] 編程
超級電腦的並行架構需要特別編程技術來提高速度。Fortran的專門編譯器可以產生的源碼，運行比C或C++的更快，所以Fortran仍然被選用作科學編程。為了開發超級電腦的並行性都使用緊接分享記憶的並行虛擬器及信息傳遞介面。
[编辑] 通用超級電腦的類型
大致上可以分為三種：
- 向量處理機器能為大量數據同時進行同樣的運算。
- 叢集式處理器特別建立連接處理器及記憶體的通信網絡，非均勻訪存模型就是最常見的。最快的超級電腦就是使用這個科技。
- 商品電腦叢集使用高頻寬低延誤的網絡來連接大量普通商品電腦。
根據摩爾定律及經濟規模，一個現代的桌面電腦比15年前的超級電腦有更高性能，皆因某些超級電腦的設計已經放在桌面電腦內。再者，簡單晶片的開發及生產成本比特意設計給超級電腦的更便宜。
超級電腦所處理的問題都適合並行化，當中減少處理單元之間的資料傳送量。因此，傳統的超級電腦可以被電腦叢集所代替。
[编辑] 專用超級電腦
專用超級電腦都是針對單一問題而開發的電腦。這些電腦都使用專門編程的FPGA晶片及超大型密集晶片，縱然犧牲普遍性也要提高成本效能比率。它們被用於天文物理學及密碼破解之上。
例子:
- 深藍, (下棋)
- 可再重設電算
- GRAPE, 天文物理
- Deep Crack, DES解碼器
[编辑] 現今最快超級電腦
[编辑] 量度速度
超級電腦速度以每秒的浮點運算"FLOPS" 來作量度單位。
[编辑] 現在的超級電腦
2005年3月25日，IBM的Blue Gene/L原型變成了最快的超級電腦。它是單一機器安裝了32768處理器，運算能力高達280.6 TFLOPS (1012 FLOPS)。Blue Gene/L原型是PowerPC架構的修改版本，正式運作版本被推出到很多地點，包括羅蘭士利物摩亞國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）。2005年10月28日，雖然運算能力高，但比預期的360TFLOPS低，將來的版本會提高到0.5PFLOPS。以前，一台 Blue Gene/L安裝了131072處理器，運算力高達101.5TFLOPS。[1] 2005年11月，IBM Blue Gene/L 成了首500強超級電腦排名榜的第一名。[2]
現在Google server farm可算是世界上最高性能的超級電腦。
[编辑] 過往的超級電腦
在Blue Gene/L之前，最快的超級電腦是日本電气株式會社在橫濱地球科學學院的地球模擬器。它是由640個特別設計的8階向量處理器根據NEC SX-6架構所組成的叢集。它使用UNIX的修改版本。
面世的一刻，地球模擬器的速度是比以前最快的超級電腦（美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室的ASCI White）還要快4倍。它的冠軍位置維持了2.5年。
首500強超級電腦排名榜可見於 http://www.top500.org/ 。
[编辑] 類超級運算
某些分散式運算把叢集超級運算推至極限。例如SETI@home計劃現在平均有72.53TFLOPS運算能力。[3].
2005年5月16日，Folding@home聲稱擁有195TFLOPS運算能力。[4]
GIMPS運算能力也高達18TFLOPS。
Google的搜尋引擎系統總處理能力界乎於126及316TFLOPS之間。Tristan Louis估計這個系統等於32000至79000台雙2 GHzXeon電腦。[5] 由於散熱問題，Google的搜尋引擎系統應該屬於網格運算。
[编辑] 超級電腦時間線
由古至今：
| 時期 | 超級電腦 | 極速 | 地點 |
|---|---|---|---|
| 1906 | Babbage Analytical Engine, Mill | 0.3 OPS | 英國 艾薩斯 霍特福格蘭 RW門羅 |
| 1938年 | Zuse Z1 | 0.9 FLOPS | 德國柏林Konrad Zuse的父母居所 |
| 1939年 | Zuse Z2 | 0.9 OPS | 德國柏林Konrad Zuse的父母居所 |
| 1941年 | Zuse Z3 | 1.4 FLOPS | 德國柏林德國氣體動力學研究所(DVL) |
| 1942年 | Atanasoff Berry Computer (ABC) | 30 OPS | 美國衣阿華州立大學 |
| 1942年 | TRE Heath Robinson | 200 OPS | 英國帕雷屈里莊園 |
| 1943年 | TRE Colossus | 5 kOPS | 英國帕雷屈里莊園 |
| 1946年– 1948 |
U. of Pennsylvania ENIAC | 50 kOPS | 美國馬里蘭州Aberdeen實驗基地 |
| 1954年 | IBM NORC | 67 kOPS | 美國維珍妮亞州海軍試驗基地 |
| 1956年 | MIT TX-0 | 83 kOPS | 美國麻省理工 |
| 1958年 | IBM SAGE | 400 kOPS | 美國空軍23號基地 |
| 1960年 | UNIVAC LARC | 500 kFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 1961年 | IBM 7030 "Stretch" | 1.2 MFLOPS | 美國新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯國家實驗室 |
| 1964年 | CDC 6600 | 3 MFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 1969年 | CDC 7600 | 36 MFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 1974年 | CDC STAR-100 | 100 MFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 1975年 | Burroughs ILLIAC IV | 150 MFLOPS | 美國加州NASA恩斯研究中心 |
| 1976年 | Cray-1 | 250 MFLOPS | 美國新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯國家實驗室 |
| 1981年 | CDC Cyber 205 | 400 MFLOPS | (世界很多地方) |
| 1983年 | Cray X-MP/4 | 941 MFLOPS | 美國新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯國家實驗室,波音公司 |
| 1984年 | M-13 | 2.4 GFLOPS | 蘇聯莫斯科電腦科學研究學院 |
| 1985年 | Cray-2/8 | 3.9 GFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 1989年 | ETA10-G/8 | 10.3 GFLOPS | 美國佛羅里達大學 |
| 1990年 | NEC SX-3/44R | 23.2 GFLOPS | 日本府中市NEC府中廠 |
| 1993年 | Thinking Machines CM-5/1024 | 59.70 GFLOPS | 美國新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯國家實驗室; 美國國家安全局 |
| 1993年 | Fujitsu Numerical Wind Tunnel | 124.50 GFLOPS | 日本國家宇航實驗室 |
| 1993年 | Intel XP/S140 | 143.40 GFLOPS | 美國山迪亞國家實驗室 |
| 1994年 | Fujitsu Numerical Wind Tunnel | 170.40 GFLOPS | 日本國家宇航實驗室 |
| 1996年 | Hitachi SR2201/1024 | 220.4 GFLOPS | 日本東京大學 |
| 1996年 | Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048 | 368.2 GFLOPS | 日本築波市築波大學電算物理中心 |
| 1997年 | Intel ASCI Red/9152 | 1.338 TFLOPS | 美國山迪亞國家實驗室 |
| 1999年 | Intel ASCI Red/9632 | 2.3796 TFLOPS | 美國山迪亞國家實驗室 |
| 2000年 | IBM ASCI White | 7.226 TFLOPS | 美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室 |
| 2002年 | NEC 地球模擬器 | 35.86 TFLOPS | 日本地球模擬器中心 |
| 2004年 | IBM Blue Gene/L (32,768) | 70.72 TFLOPS | 美國能源部/IBM |
| 2005年 | IBM Blue Gene/L (65,536) | 136.8 TFLOPS | 美國能源部/NNSA/LLNL |
| 2005年 | IBM Blue Gene/L (131,072) | 280.6 TFLOPS | 美國能源部/NNSA/LLNL |
[编辑] 科幻中的超级计算机
- Matrix
[编辑] 參見
[编辑] 歷史及概念
- Beowulf 叢集
- 分散式計算
- 快閃黨電腦
- 網格運算
- 運算歷史
- MOSIX
- 並行計算
[编辑] 其他類型
- 小型超級電腦
- 主機
- 超級小型電腦
- 小型電腦
- 微型電腦
[编辑] 超級電腦公司及系統
- 叢集資源公司
- 克雷研究公司
- 富士通
- 星盈科技(Galactic Computing Corp.)
- Groupe Bull（法國公司曾宣稱製造歐洲最高性能的超級電腦）
- IBM
- nCUBE
- NEC
- 超級電腦系統
- SGI
[编辑] 超级计算机
- 超级计算机500强
- 超级计算机列表
[编辑] 外部連結
[编辑] 資源
[编辑] 中心及組織
- HPCx 英國超級電腦服務，由EPCC及Daresbury實驗室營運
- CSAR 英國超級電腦服務，由曼徹斯特電算營運
- HPC-UK 由曼徹斯特電算、EPCC及Daresbury Lab策略協辦
- 聖地牙哥巨型電腦中心(SDSC)
- Teragrid
- WestGrid
- VirginiaTech
- IRB
- SARA
- 匹茲堡巨型電腦中心,由匹茲堡大學和卡內基梅隆大學營運
- LinuxHPC.org
- 國家高速網路與計算中心 位於台灣新竹，是中華民國國家實驗研究院的附屬機構。
[编辑] 通用的超級電腦
- 惠普宣布建立Linux超級電腦
- Linux NetworkX新聞報導: Linux NetworX 建立最大的Linux超級電腦
- 有關ASCI White 報導
- 有關日本地球模擬器
- 地球模擬器(英語)
- NEC 高性能運算資料
- 超導體超級電腦
