日前，2008年全國高性能計算學術年會在無錫舉行。從本次年會上我們能了解到高性能計算技術的哪些流行和發展趨勢?在高性能計算中又面臨哪些障礙和挑戰呢?本報記者對此進行了深度報道。

多核異構大勢所趨編程模式是關鍵

多核和多核異構系統越來越受到超大規模計算機的青睞，如前不久發布的全球高性能計算TOP500排名第一的IBM的Roadrunner就是把自己的Cell和AMD的皓龍處理器混合在了一起;在芯片層面，包括英特爾、AMD和nVIDIA等都在研制異構多核或眾核芯片。例如AMD提出的CPU+GPU的Fusion，nVIDIA的Tesla等。

眾所周知，在當前的高性能計算系統和應用中，絕大多數是x86架構的處理器和應用，隨著高性能計算系統性能的不斷提升，多核和重核異構系統在滿足高性能計算的某些特殊應用的時候表現出比較出色的性能。例如對于追求浮點運算性能的應用來說，GPU(圖形處理芯片)的速度要遠遠高于傳統的 CPU(中央處理器)，這也是為何AMD和nVIDIA公司認為，在未來的高性能計算中GPU或者CPU+GPU會最終取代CPU。但從目前應用軟件的編程模式來看，多數編程工具和應用仍然是基于x86架構，所以要想充分發揮出GPU或CPU+GPU的性能，改變傳統的編程模式至關重要。對此，AMD公司中國區高級技術經理劉文卓在其《未來是CPU和GPU的融聚》的主題演講中也承認，目前編程模式是多核異構系統面臨的最大挑戰。那么多核異構是否是高性能計算的發展方向呢?

英特爾公司高性能計算軟件經理SanjayGoil博士對記者講，英特爾一定會做異構的多核芯片，但與對手“異構的內核，異構的編程環境”不同，英特爾會堅持走“異構的內核，相同的編程環境”這樣一條道路，也就是說，不管是哪種內核，所使用的編程模式都應該是一樣的。雖然現在業界已經出現了一些異構系統，但這些異構系統除了在Linpack測試時有較出色的表現，在實際應用中并不好測試，因此需要強大的軟件工具的支持，降低異構環境下的軟件編程難度。

英特爾中國公司亞太客戶響應團隊技術經理何萬青博士稱，目前英特爾的高性能計算開發工具可用于分析和優化已有MPI編程模式的性能。同時英特爾也發布了自己的MPI2.0，接口不變，編程模式不變，但更加適合多核環境，在進程與內核之間可以實現更好的綁定。另外英特爾針對OpenMPI在與業界伙伴進行合作。

從對與會廠商的采訪和目前高性能計算的現狀看，基于相同編程模式的多核異構應該是未來高性能計算系統最切實可行的道路。而采用CPU+GPU的異構系統，改變業內流行的編程模式的難度很大。至于未來會怎樣，充滿了不確定性。

能耗是挑戰技術尋求突破

在高性能計算領域，用戶對于計算性能的需求是無止境的，這使得計算機系統的規模越做越大，系統功耗也成為超級計算機發展面臨的重大挑戰。

以中石油的計算處理中心為例，從2002年到2007年CPU從340顆增長到13308顆，增長了近40倍。其運算能力當初是189億次/秒，現在高達 139萬億次/秒，短短5年間處理能力獲得了質的飛躍。正是因為有了強大的計算能力，處理中心在冀東南堡油田的發現過程中發揮了至關重要的的作用，為油井位置的選擇提供了重要的依據。據統計，2005年處理中心有1500個CPU時，電費是334萬元;2006年CPU增加到2300顆，電費達到492萬元;2008年電費至少需要1500萬-1700萬元。

除了處理器之外，內存及其功耗的增加也值得關注。隨著制造工藝的改進，內存容量越來越大，速度越來越快，價格越來越低，與CPU一起推動了計算能力的快速增長。但與此同時，我們也要為之付出更多的電費。現在主流的DDR2和FBD內存均已達到10W這個量級，以至于我們不得不為內存的散熱感到頭痛;其次是芯片組和外圍設備，由于CPU和內存頻率不斷提高，這就要求和它們配合的芯片組、總線和外圍設備在更高的頻率下工作，以充分發揮性能，而更高的頻率意味著更多的電能消耗。對此，國家并行計算機工程技術研究中心、中國工程院院士金怡濂告訴記者，系統功耗是超級計算機發展面臨的重要挑戰，當今全球百萬億次級超級計算機系統功耗在1000千瓦左右。一臺千萬億次超級計算機系統的功耗能達到數兆瓦，每年的電費開銷高達數千萬元。因此，未來的超級計算機必須在節能方面有新的技術突破。

此外，Gartner預言，在接下來的幾年里，世界上一半左右的數據中心將受電力和空間的約束，能耗會占到一個IT部門預算的1/3。IDC也表示，IT 組織能耗的花費將達到硬件花費的1/4。以往高性能必然高功耗的時代已經過去，評價高性能計算系統的優劣要看性能，更要關注能效。

鑒于此，目前許多廠商已經將降低高性能計算系統的能耗和綠色計算作為努力的方向。例如處在高性能計算產業鏈上游的處理器廠商英特爾就在制程工藝上采用了最新的45納米技術，這不僅從晶體管層面解決了漏電問題，而且還可以讓芯片做得更小，性能更高，這使得45納米產品可以用較少的時間完成相同的任務，從而減少能源的消耗。

另外，英特爾也在芯片中不斷增強能源管理功能，如對能耗按需管理，把不忙的處理器核的功耗降低，以便提升繁忙的處理器核的主頻。而在基礎架構方面，英特爾認為一定要和整個產業的伙伴進行共同合作才能讓整個生態系統共同走向綠色計算。

個人HPC呼之欲出應用價格決定市場

特別值得一提的是，在此次年會上，個人高性能計算機也受到了廣泛關注。中國科學技術大學陳國 良 院 士 在 大 會 上 做 了《PHPC：一種普及型高性能計算機》的報告。他指出，高性能計算的一個發展方向是可擴展系統，當前主要是研究千萬億次計算的關鍵技術;而另一個發展方向就是普及型系統，他們為此提出了稱為PHPC(PersonalHighPerformanceComputer)的個人高性能計算機技術。

其實，近年來個人高性能計算機一直是計算機領域的熱點，隨著計算機在生產和工作中被廣泛應用，人們對計算能力的要求也越來越高。但現有機架式和刀片服務器主要瞄準的是大型客戶，從性價比角度分析，中小規模應用并非其強項，而且其適用性和易用性也不能滿足大量中小企業用戶的需求。

由于制造工藝的改善和多核技術的使用，CPU的處理能力現在已經達到一個相當高的水平。隨著四核的普及，一個雙路系統即擁有八個內核的單臺服務器的處理能力得到極大提高。互聯技術也在迅速發展，萬兆以太網、Infiniband、PCI-ESwitch的大量應用使CPU能充分發揮強大的計算能力，很多以前需要幾十臺服務器的應用如今在幾臺機器上運行可以了。技術的發展和市場的需求呼喚新的產品，也就是所謂的個人高性能計算機，這個概念很早就被提出來了，但直到最近市場上才出現真正的產品，例如，Tyan的臺風系列，Vxtech的PersonalClus-ter。