群雄逐鹿下一代超级计算机 沈洪 1995-03-24 一、目标：实现“三个兆兆” 据报道，美国国家超级计算机应用研究中心和伊利诺州大学的研究人员希望到2000年时研制成世界上最高效率的计算机。这种计算机有足够的速度和存储容量，能模拟若干最复杂的自然现象，例如模拟暴风的形成，能预报10年，甚至100年的世界气候。 目前，世界上10多家大公司在研制下一代最高效率的计算机方面竞争得十分激烈。例如美国的SSI公司、克雷公司、莫特尔公司；日本的富士通公司、日立公司和日本的电气公司；德国的亚琛公司，英国的INMOS公司等。从设计师们的角度来看，他们研制的下一代超级计算机的目标是实现三个兆兆：每秒兆兆次运算操作、兆兆字节存储容量、数据传输速度每秒兆兆字节。这三个兆兆是现有超级计算机的1000倍。 如何实现三个兆兆呢?多数设计师认为：采用串行计算机的传统原理，即一个接一个地运算操作，是不可能达到三个兆兆的。应该用并行计算机代替串行计算机。就是说，首先把一个大问题划分为若干个小问题，这些小问题分别由最好的设计师来解决，最后设计出一种符合人们愿望的超级计算机。 二、设计观点上的分歧 只有最能干的人才能在这场竞争中取胜。然而取胜者并非绝对是制造运算速度最快的计算机的人。因为能最好地利用这样巨大的计算机容量的并不是计算机教师，而是应用科学学科的专家。 维尔贺尔姆逊是美国全国超级计算机应用中心的大气研究人员。他使用克雷-2型超级计算机。该机在理论上每秒能完成2000兆次浮点运算。用这台计算机能模拟风暴的形成。美国克雷公司对下一代超级计算机设计的争论，导致该公司发生了分裂。克雷是该公司的创始人，是克雷1型和2型超级计算机的设计者。该公司发生分裂后，他建立了克雷计算机公司，计划对下一代计算机__克雷3型超级计算机采用工作速度更快的砷化镓电子元件，尽管这种电子元件生产要花费很多时间和资金。 陈氏是一位年轻的设计师，是X-MP和Y-MP型超级计算机的设计者，他离开了设计总部，建立了超级计算机系统公司，拟定了新的计划。留在克雷公司的设计师们，在此期间彻底背弃了他们的传统设计原则，着手采用整体并行系统，这种系统的特点是用成千个处理机代替少数几个处理机。 上述的情况表明，设计师们不仅在职业上产生了矛盾，而且在超级计算机设计的基本观点上也发生了分歧。 三、新的设计与竞争 克雷公司小心地向着并行处理数据的方向转变。设计师们把计算的每个基本任务划分为若干个分任务，并且用由协同工作的子装置构成一条流水作业线相应地代替中央处理机：第一个装置完成了第一个步进，将其结果传送第二个子装置里，当第二个子装置执行它的步进时，第一个子装置已经开始了第二个步进。 这种所谓的管路输送进一步向前发展是向量处理。在进行量处理时，同一个操作可同时应用到按顺序排列的每一个数字上。陈氏走自己的路。他采取增加处理机数目的做法，他的设计量把许多向量处理机连接在一个共同的存储器上。 在此期间，超级计算机制造者们展开了激烈的竞争，特别是日本三家最大的电子计算机公司__富士通公司、日立公司和日本电器公司，在向量处理和管路输送方面已超过了克雷公司。日本电器公司的SX-3型超级计算机已超过了克雷-2型计算机。 日本电气公司的设计师们对明显提高处理机速度持怀疑态度。他们对下一代计算机准备使用具有更高密度的双极芯片。富士通公司的设计师们认为单处理机系统没有远大前途。该公司的VP-2600型超级计算机，循环时间3.2纳秒，理论最大效率每秒5000兆次浮点运算。设计师们认为，用传统的存储__开关电路__集成方法很难达到一纳秒的周期。 然而，放弃传统的设计原则是同花费大量资金联系着的。美国和日本的一些计算机生产者仍想充分发挥老设计的作用，提高计算机的运算速度。他们用砷化镓代替硅，计划把16个砷化镓处理机联接在一起，尽管砷化镓这种材料很昂贵。美国SSI公司正在把许多向量处理机捆在一起。克雷3型砷化镓计算机将比克雷2型计算机的运算速度快10倍(每秒2万兆次运算操作)。整体并行计算机由于大量的微处理机并列可以达到很高的工作速度。每个微处理机将逻辑开放电路、局部存储器和通信硬件结合在一个芯片上。所有的处理机同时接受由中央处理机发出的同一指令，完成自己的数据处理，这个原则叫做SIMD，即一个指令序列、许多数据。许多竞争者采用MMD原则，即许多指令序列、许多数据，采用这种原则，每个处理机都可以获得自由的指令序列。 MMD原则比较灵活，但比SIMD复杂得多。 美国英特尔公司计划到1999年将研制成每秒兆兆次运算操作的超级计算机。设计特点是：在同一平面上每一个节与下一个节相连。节与节之间的通信不是通过一个共同的存储器的数据契取，而是通过彼此间信息交换而实现的。英特尔公司打算把每秒兆兆次运算操作的计算机网络扩大到三维。当一个处理机等待从存储器中取出数据时，它可以执行其它并行活动的指令。 美国IMMDS公司的微处理机，在一个芯片上含有一个完整的计算机的主要组成部分，特别是高效率的通信线路，一个快速浮点的计算机器和一个内存储器。 德国亚琛公司正在设计制造并行计算机，德国研究和技术部资助14个科研单位和工业企业研制成了并行计算机，名叫Suprenum，理论上总效率为每秒5000兆次运算操作。