超级计算机

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超级计算机(Super computer)是指能够执行一般个人电脑无法处理的大量资料与高速运算的电脑。就超级计算机和普通计算机的组成而言,构成组件基本相同,但在性能和规模方面却有差异。超级计算机主要特点包含两个方面:极大的数据存储容量和极快速的数据处理速度,因此它可以在多种领域进行一些人们或者普通计算机无法进行的工作。 [1] 
中文名
超级计算机
外文名
Super computer
速度度量单位
每秒的浮点运算"FLOPS"
国际机构
国际超级计算机大会组委会
机构简称
ISC
别    称
巨型机

超级计算机概述

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超级计算机是指信息处理能力比个人计算机快一到两个数量级以上的计算机,它在密集计算、海量数据处理等领域发挥着举足轻重的作用。作为高性能计算技术产品的超级计算机,又称巨型机,是与高性能计算机或高端计算机相对应的概念。 [2] 
超级计算机具有很强的计算和处理数据的能力,主要特点表现为高速度和大容量,配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。超级计算机采用涡轮式设计,每个刀片就是一个服务器,能实现协同工作,并可根据应用需要随时增减。以我国第一台全部采用国产处理器构建的“神威·太湖之光”为例,它的持续性能为9.3亿亿次/秒,峰值性能可以达到12.5亿亿次/秒。通过先进的架构和设计,实现了存储和运算的分开,确保用户数据、资料在软件系统更新或CPU升级时不受任何影响,保障了存储信息的安全,真正实现了保持长时、高效、可靠的运算并易于升级和维护的优势。 [3] 
根据处理器的不同,可以把超级计算机分为两类,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,很多超级计算机是非专用系统,服务于军事、医药、气象、金融、能源、环境和制造业等众多领域。 [2] 

超级计算机发展背景

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超级计算机是1929年《纽约世界报》中最先报道出的一个名词,它是将大量的处理器集中在一起以处理庞大
超级计算机 超级计算机
的数据量,同时运算速度比常规计算机快许多倍。但是从结构上看,超级计算机和普通计算机都是大同小异的,而这种并行化处理使得人们可以对庞大数据进行处理,进而影响到各个行业运行,其意义十分重大,1976年美国克雷公司推出了世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机,突出表现一国科技实力的超级计算机,堪称集万千宠爱于一身的高科技宠儿,在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核业、军事、航天等高科技领域大展身手,让各国科技精英竞折腰,各国都在着手研发亿亿级超级计算机。 [4] 
一般来说,超级计算机的运算速度平均每秒1000万次以上,存贮容量在1000万位以上。如美国的ILLIAC-Ⅳ,日本的NEC,欧洲的尤金,中国的“银河”计算机,就属于巨型计算机。巨型计算机的发展是电子计算机的一个重要发展方向。它的研制水平标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度,体现着国家经济发展的实力。一些发达国家正在投入大量资金和人力、物力,研制运算速度达几百万亿次的超级大型计算机。 [4] 
自2009年我国国防科技大学发布峰值性能为每秒1.206千万亿次的“天河一号”超级计算机,我国成为美国之后第二个可以独立研制千万亿次超级计算机的国家。尤其2016年神威太湖之光的出现,更是标志我国进入超算世界领先地位。超级计算机可以代表一个国家在信息数据领域的综合实力,甚至可以说影响到国家在世界科学技术上的地位,不仅如此,在大数据时代即将到来之际,超级计算机的实际应用也相当可观。 [4] 

超级计算机组成结构

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超级计算机硬件

超级计算机的硬件组成与个人计算机组成基本相同,主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。但是超级计算机超强的数据分析处理能力、超大的存储容量、巨大的能耗是个人计算机无法比拟的。 [1] 

超级计算机软件

高性能计算机在硬件方面是非常强大的,但是同时为了发挥出它最大的性能,软件方面也很重要。现在的超级计算机60%以上都是使用了Linux操作系统,大多数超级计算机的系统是基于Linux来适应不同应用而量身定制的。 [1] 

超级计算机维护

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随着科技的发展,计算机与我们的联系变得更加密切,在大数据的背景下,超级计算机也大量的投入到对大数据的应用当中,但由于超级计算机系统受虚拟性特点的影响,容易出现故障问题,给单位和用户带来不便。为了减少这种情况的发生,延长超级计算机的使用寿命,那么就需要对超级计算机定期进行维护。 [5] 
在进行超级计算机的维护工作过程中,需要采用科学合理的方法,以此来提升超级计算机的性能及工作效率,进而延长超级计算机的使用寿命。超级计算机的维护工作分为硬件维护和软件维护。其中硬件维护是指对超级计算机的硬件设备进行定期检查并进行适当的清洁,需要注意的是尽量避免移动设备,以免对设备造成损坏。软件维护指的是对超级计算机软件进行备份,将无用的文件定期进行清理,注意尽量避免病毒感染超级计算机,以免对超级计算机的系统造成破坏,对公司、研究机构及个人的信息安全造成威胁。 [5] 
超级计算机在维护过程中容易出现以下故障:开机问题、硬件问题及软件问题。针对超级计算机的故障问题需要相关人员能及时采取维护措施对超级计算机进行维护。首先当超级计算机出现故障时要对其进行合理判断,确定是什么原因导致超级计算机不能正常工作,不能盲目地对超级计算机进行修理,加强对机器自身以及周边环境的检查。其次在确定超级计算机出现故障之后,对可能出现的故障原因进行设想以及应该如何对该故障进行处理,明确对故障维护的整体思路,以便后续的维修工作能顺利进行,提高维修工作的效率。 [5] 
此外还需要对超级计算机的网络安全做好防护工作。在对超级计算机网络防护过程中,需避免黑客、木马病毒的侵袭。需要将数据库做好备份和恢复,将较为重要的资料进行备份更新,这样即使出现意外,资料也可通过备份进行恢复,避免造成不必要的损失。较为重要的一点就是预防病毒,通过安装病毒防火墙,可以对系统进行扫描和监控,能及时发现病毒并将其清除。由于超级计算机大多用于科研单位,所以很有必要安装上攻击性软件,为超级计算机系统完善语境功能,一旦出现外部入侵的情况,系统能及时预警并对其进行有效的拦截。 [5] 

超级计算机应用介绍

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超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机,多用于国家高科技领域和尖端技术研究,是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。一个国家的高性能的超级计算机,直接关系到国际民生、关系到国家的安全。几乎在国计民生的所有领域中,超级计算机都起到了举足轻重的关键作用。 [3] 
1、超级计算机应用科学领域,促进时代发展
超级计算机利用其强大的数据处理能力,帮助人们改变了解自然世界的方式,为社会提供巨大的利益。它模
超级计算机 超级计算机
拟大气、气候和海洋,可以精准预测地震和海啸。可以更好地理解龙卷风和飓风,或破译引起地磁暴的力量,黄石超级计算机和NWSC将带来更好的预测,并更好地保护公众的经济。用于复杂的气象分析,处理全球气象卫星数据。超级计算机的快速数据处理能力,能预知全球气象,对气象卫星侦察的信息进行集中化数据处理,量化分析,建模分析。 [3] 
2、超级计算机应用生产领域,节省人力资源
利用超级计算机强大的计算密度,对于一些事故发生率较高,在生命安全造成极大威胁的高危行业,以超级计算机代替人工进行作业,如地下采煤、高空作业、爆破工作和石油勘探等数据进行处理和分析。这里的计算密度指的是超级计算机在一定体积和面积内的计算能力,这是计算精度和计算能力的体现。例如,2007年曙光4000L超级计算机就曾在发现储量高达10亿吨的渤海湾冀东南堡油田的过程中发挥了关键作用,而其后的曙光5000A超级计算机的应用,则进一步达到了地下数千米的勘探深度。 [3] 
3、应用于医学制药、先进制造、人工智能等新兴领域
生物信息学成为超级计算新的应用领域,如人类基因组测序过程中产生的海量数据处理就离不开超级计算机。在医学领域,也利用超级计算机来模拟人体各个器官的工作机理及人体内各种生化反应等。开发一种新的药品,通常需要从研制和试验的很多步骤,一般需要大约15年的时间,而利用超级计算机则可以对药物研制、治疗效果和不良反应等进行模拟试验,从而将新药的研发周期缩短3~5年且可显著降低研发成本。除此之外,随着计算机技术的发展,在超级计算机的支撑之下,解决了重大的科学与应用领域的关键问题,促进了相关应该领域的快速发展,其他如人工智能、深入学习、生物医药、基因工程、金融分析等新兴领域也有大量的应用。 [3] 

超级计算机发展前景

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大数据时代的到来,超级计算机将会在未来信息化发展中大放光彩,首先是它和云计算,云储存联系在一起,为大数据技术的发展提供保障。未来超级计算机很可能会发展为共享服务器云计算的形式,发挥它极强运算速度和大批量数据处理的优势。另一方面,超级计算机本身的架构和组件方式可能也会有很大改变,尤其体现在体积的缩小,运行的轻量化,成本的缩小化。未来它将不仅仅是作为国家战略的一种存在,而且会涉入商业领域,如此会更加刺激它的发展。 [4] 
超级计算机作为一个国家信息化的一种重要体现,首先将会在国防科技,工业化,航天卫星等领域发挥重要作用,其次它会在诸如气象,物理,探测等领域显现出它的优势。依靠强大的数据处理能力和高速的运算能力,未来的超级计算机将会是大数据时代的重要工具。而且会进一步普及到我们的具体生活中来,为我们的社会发展做出巨大贡献。 [4] 
解读词条背后的知识
参考资料
  • 1.    俞宋骁凯.探究超级计算机的原理及应用[J].通讯世界,2019,26(4):105-106.
  • 2.    郭赟婧.浅谈超级计算机[J].东方青年·教师,2013,(23):61-61.
  • 3.    康涵俊.超级计算机在人类生活中的应用[J].科学与信息化,2017,(36):30-31.
  • 4.    夏江婷.浅谈超级计算机及其发展[J].中国科技纵横,2017,(24):24-25.
  • 5.    曾鹤琼,胡骏.面向大数据应用挑战的超级计算机设计[J].通讯世界,2018,(11):51-52.
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