请问什么是巨型计算机？

Question

如题所述

Answer 1

巨型计算机是一种超大型电子计算机。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。

巨型计算机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。

对巨型计算机的指标一些家这样规定：首先，计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位以上。如我国研制成功的"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，研制运算速度达几百亿次的超级大型计算机。

在一定时期内速度最快、性能最高、体积最大、耗资最多的计算机系统。巨型计算机是一个相对的概念，一个时期内的巨型机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的巨型机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的巨型计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。

据统计,计算机的性能与使用价值的平方成正比,即所谓平方律。按照这一统计规律，计算机性能越高，相对价格越便宜。因此，随着大型科学工程对计算机性能要求的日益提高，超高性能的巨型计算机将获得越来越大的经济效益。

一、巨型计算机的发展概况

50年代中期的巨型机有 UNIVAC公司的LARC机和 IBM公司的 STretch机。这两台计算机分别采用了指令先行控制、多个运算单元、存储交叉访问、多道程序和分时系统等并行处理技术。60年代的巨型机有CDC6600机和7600机，它们都配置有多台外围处理机,主机的中央处理器含有多个独立并行的处理单元。70年代出现了现代巨型计算机，其指令执行速度每秒已达5000万次以上，或每秒可获得2000万个以上的浮点结果。

现代巨型机经历了三个发展阶段。第一阶段有美国ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型机。ILLIAC－Ⅳ机是一台采用64个处理单元在统一控制下进行处理的阵列机，后两台都是采用向量流水处理的 向量计算机 。1976年研制成功的CRAY-1机标志着现代巨型机进入第二阶段。这台计算机设有向量、标量、地址等通用寄存器,有12个运算流水部件,指令控制和数据存取也都流水线化；机器主频达80兆赫，每秒可获得8000万个浮点结果； 主存储器 容量为100～400万字(每字64位)，外存储器容量达10 9 ～10 11 字；主机柜呈圆柱形，功耗达数百千瓦；采用氟里昂冷却。图中为这种机器的逻辑结构。中国的“银河“亿次级巨型计算机（1983年）也是多通用寄存器、全流水线化的巨型机。运算流水部件有18个，采用双向量阵列结构，主存储器容量为200～400万字(每字64位)，并配有磁盘海量存储器。这些巨型机的系统结构都属于单指令流多数据流(SIMD)结构。80年代以来，采用多处理机（多指令流多数据流MIMD）结构、多向量阵列结构等技术的第三阶段的更高性能巨型机相继问世。例如，美国的CRAY-XMP、CDCCYBER205,日本的S810/10和20、VP/100和200、S×1和S×2等巨型机，均采用超高速门阵列芯片烧结到多层陶瓷片上的微组装工艺，主频高达50～160兆赫以上，最高速度有的可达每秒5～10亿个浮点结果,主存储器容量为400～3200万字（每字64位），外存储器容量达10 12 字以上。

还有一类专用性很强的巨型机。例如，美国哥德伊尔宇航公司的巨型并行处理机MPP，由16384个处理器组成128×128的方阵，专用于卫星图像信息的高速处理,8位整数加的处理速度可达每秒60亿次，32位浮点加可达每秒1.6亿次。英国ICL公司研制的分布式阵列处理机专用系统DAP，由 4096个一位 微处理器 和一台大型系列机2900组成，最高速度可达每秒1亿个64位的浮点结果。

二、巨型计算机的组成

巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存贮器构成。由于巨型机加工数据的吞吐量很大，只有主存是不够的，一般有半导体快速扩充存贮器和海量（磁盘）存贮子系统来支持。对大规模数据处理系统的用户，常需大型联机磁带子系统或光盘子系统作为大量信息数据进／出的媒介 。巨型机主机一般不直接管理慢速的输入／输出（I／O）设备，而是通过I／O接口通道联结前端机，由前端机做I／O的工作，包括用户程序和数据的准备、运算结果的打印与绘图输出等。前端机一般用小型机。I／O的另一种途径是通过网络，网上的用户借助其端机（微机、工作站、小型大型机）通过网来使用巨型机，I／O均由用户端机来做。网络方式可大大提高巨型机的利用率。

三、巨型机技术

并行处理是巨型机技术的基础。为提高系统性能，现代巨型机都在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并行处理的技术。

数据类型为便于高速并行处理， 中央处理器 的数据类型除传统的各类标量外，都增加了向量或数组类型。向量或数组运算的实质，是相继或同时执行一批同样的运算，而标量运算只处理一个或一对操作数，故向量运算速度一般比标量运算速度快得多。

硬件结构现代巨型机硬件大多采用流水线、多功能部件、阵列结构或多处理机等各种技术。流水线是把整个部件分成若干段，使众多数据能重叠地在各段操作，特别适于向量运算，性能-价格比高,应用普遍。多功能部件可以同时进行不同的运算，每个部件内部又常采用流水线技术，既适合向量运算又适合标量运算。中国的“银河”机和日本的 VP/200、S810/20机进一步将每个向量流水部件或向量处理机加倍，组成双向量阵列，又把向量运算速度提高了两倍。美国CYBER－205机的向量处理机可按用户需要组成一、二或四条阵列式的流水线，技术上又有所发展。多处理机系统以多台处理机并行工作来提高系统的处理能力，各台处理机可以协作完成一个作业，也可以独立完成各自的作业。每台处理机内部也可采用各种适宜的并行处理技术。在任务的划分与分配、多处理机之间的同步与通信和 互连网络 的效益等方面，多处理机系统尚存在不少问题有待解决。现代巨型机采用的主要还是双处理机系统（如CRAY-XMP）和四处理机系统（如HEP）。

向量寄存器为降低存储流量和频带宽度的要求，并解决短向量运算速度低的问题，第二阶段的巨型机采取了向量寄存器技术。CRAY-1机设有8个向量寄存器,所有向量运算指令都面向向量寄存器和其他通用寄存器。为更有力地支持各运算流水部件高度并行地进行各自的向量运算，日本的VP/100和S810等第三阶段的巨型机设有庞大的向量寄存器，总容量达64K字节。

标量运算标量运算速度对巨型机系统综合速度的影响极大。为此,除增设标量寄存器、标量后援寄存器或标量 高速缓冲存储器 以及采用先进的标量控制技术（如先行控制等）外，还可采用专作标量运算的功能部件和标量处理机等技术。例如,CRAY-1机的多功能部件中,有6个专作标量和地址运算，3个兼作标量浮点运算，标量运算速度可达每秒2000万次以上；CYBER205机专设标量处理机，含5个运算部件,标量运算速度可达每秒5000万次以上。在提高向量运算速度的同时，进一步提高标量运算速度，尽可能缩小两者的差距，已成为改善巨型机系统性能的重要研究课题。

主存储器为使复杂系统的三维处理成为可能，要求主存储器能容纳庞大的数据量。80年代的巨型机容量已达256兆字节。为与运算部件的速度相匹配,主存储器必须大大提高信息流量。为此，主要的措施是：①采取较成熟的多模块交叉访问技术,模块数量一般取2n,有的巨型机采用素数模新技术，以尽量避免向量访问的冲突；②不断减小每个模块的存取周期，如CRAY-XMP机的存取周期为38纳秒，S810机虽用静态MOS存储器,也只有40纳秒，与双极存储相当；③增加主存储器的访问端口，如CRAY-XMP机的每台处理机与CRAY-1机相比，访问端口由一个增加到四个，解决了存储访问的瓶颈问题。

输入输出通道巨型机不但配有数量较多的输入输出通道，如16～32个，而且具有较高的通道传输率。如CRAY-XMP机除一般通道外,还有两个传输率为每秒100兆字节的通道和一个传输率高达每秒1250兆字节的通道。

固态海量存储器为适应特大算题的大量数据在主存储器和外存储器之间的频繁调度，新型的巨型机采用固态海量存储器作为超高速外存储器。CRAY-XMP机的固态存储器采用MOS技术，容量为64～256兆字节，传输率比磁盘快50～100倍。S810机的固态存储器容量为256～1024兆字节，传输率达每秒1000兆字节。

大规模集成电路巨型机的 逻辑电路 都采用超高速ECL电路，门级延迟约为0.25～0.5纳秒，芯片门数为几十至一千以上；1984年日本已研制成功4K门阵列常温砷化镓芯片，级延迟约为50皮秒；用于向量寄存器的超高速双极随机存取存储器的访问时间为3.5～5.5纳秒。

组装工艺缩短机内走线长度和提高机器主频，是提高巨型机速度的基础。现代巨型机主频有的已达 250兆赫以上。为此，除提高芯片的集成度和速度外，还采用微组装等高密度多层组装工艺。由此而来的散热问题很突出，需要采取特殊的冷却措施。

并行算法和软件技术为充分发挥巨型机的系统性能，必须研究各种并行算法并研制并行化的软件系统。针对特大型科学计算的特点，巨型机通常配置如下软件：具有多重处理能力的批处理分布式 操作系统 、高效的汇编语言、向量FORTRAN或PASCAL、ADA语言和向量识别器、并行化标准子程序库、科学子程序库和应用程序库、系统 实用程序 、诊断程序等。

Answer 2

中国研制的第一台亿次巨型计算机是（）A、银河—Ⅰ B、银河—Ⅱ　C、巨浪-1 D、巨浪-

Answer 3

就是体积庞大,运算量惊人的电脑!~~像中国的银河系列计算机.

Answer 4

现在没有呢?
以前有啊.

Answer 5

超级计算机（Supercomputer）是一种领先世界的电子计算机。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。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒万亿次以上。因此无论在运算力及速度都是全球顶尖。超级计算第一次被使用是在“纽约世界”于1920年关于万国商业机器为哥伦比亚大学建造制表机的报导。

1960年代，超级电脑由希穆尔·克雷在控制数据公司里设计出来并带领市场直到1970年代克雷创立自己的公司克雷研究。凭著他的新设计，他控制了整个超级电脑市场，站在这个颠峰位置长达五年(1985-1990)。在1980年代，大量小型对手加入竞争，正值小型电脑市场萌芽阶段。在1990年代中叶，很多对手受不了市场的冲击而消声匿迹。今天，超级电脑成了一种由像国际商用机器公司及惠普等传统公司所特意设计的电脑。虽然这些公司透过不断并购增强自己经验，但克雷研究依然专业于超级电脑设计。

克雷-2－全球最快电脑(1985–1989)其实超级电脑一词定义不清，随时间演进，昨是而今非。控制数据公司的早期机器都是非常快的标量处理器，是其他公司的最快电脑十倍速度。1970年代，大部分超级电脑都是向量处理器，很多是新晋者自行开发的廉价处理器来攻占市场。1980年代中叶，适量的向量处理器并行地操作成为标准。一般由8个到16个不等。1980年代初期，注意力由向量处理器转向大规模并行运算系统，由成千上万的普通处理器所组成。今天，并行设计建棋于精简指令集（RISC）处理器，譬如 PowerPC或PA-RISC及互联的电脑丛集。

软件
分布式运算所用的软件包括一些标准的应用编程接口（如信息传递接口及并行虚拟机器）及开放源码软件。例如openMosix可以把很多普通的电脑联合成虚拟超级计算器。零设定技术方便了即兴建立电脑丛集，而为超级电脑制作容易的编程语言仍然是运算科学的研究课题。

[编辑] 用途
超级电脑常用于计算密集的工作，譬如天气预测、气候研究、运算化学、分子模型、物理模拟、密码分析等等。

[编辑] 设计
超级电脑的创新设计在于把复杂的工作细分为可以同时处理的工作并分配于不同的处理器。他们在专门的运算表现突出，在处理一般工作时却差强人意。他们的记忆结构是经过小心设计来确保数据及指令及时送达。这微小的差别可以导致运算能力的巨大差别。输入／输出系统也有特殊设计来提供高带宽，但是延缓时间却不很重要，因为超级电脑不是用来处理交易。

根据Amdahl's law，超级电脑的设计都集中在减少软件上的序列化、用硬件在瓶颈上加速。

[编辑] 挑战与科技
超级电脑常产生高热，需要冷却。冷却是很大的HVAC问题。
资讯传送不能比光快。几米的距离导致几十纳秒的延误，而克雷著名的环型设计保持了最短距离。
超级电脑在短时间耗用及生产大量数据，需要投入很多资源确保资讯妥善传送及存取。
因超级电脑而开发的科技：

向量处理器
水冷技术
非均匀访存模型(NUMA)
资料分割 (RAID)
并行存取档案系统

[编辑] 处理技术
向量处理因超级电脑而建立并用于高性能运算。向量处理技术后来被用于普通电脑内的信号处理架构及单指令流多数据流（SIMD）。例如：电视游乐器、图像卡等。

[编辑] 操作系统
超级电脑操作系统虽然是UNIX的变种，但比较小型电脑的复杂一点。一般都倾向减少开发它的用户接口因为可以减少浪费资源在不必要的工作上。同样的道理应用到价值几百万的电脑身上。这个惯例延续到超级电脑，例如SGI都会使用NVIDIA。NVIDIA制造廉价、多功能、高性能的产品。

1980年代初期，超级电脑通常会为了追求性能而牺牲指令集的兼容性及运载速度。它们会使用不同类型的操作系统。雷克－1曾使用6个专属操作系统及并行向量版本的FORTRAN编译器。

[编辑] 编程
超级电脑的并行架构需要特别编程技术来提高速度。Fortran的专门编译器可以产生的源码，运行比C或C++的更快，所以Fortran仍然被选用作科学编程。为了开发超级电脑的并行性都使用紧接分享记忆的并行虚拟器及信息传递接口。

[编辑] 通用超级电脑的类型
大致上可以分为三种：

向量处理机器能为大量数据同时进行同样的运算。
丛集式处理器特别建立连接处理器及内存的通信网络，非均匀访存模型就是最常见的。最快的超级电脑就是使用这个科技。
商品电脑丛集使用高带宽低延误的网络来连接大量普通商品电脑。
根据摩尔定律及经济规模，一个现代的桌面电脑比15年前的超级电脑有更高性能，皆因某些超级电脑的设计已经放在桌面电脑内。再者，简单芯片的开发及生产成本比特意设计给超级电脑的更便宜。

超级电脑所处理的问题都适合并行化，当中减少处理单元之间的资料传送量。因此，传统的超级电脑可以被电脑丛集所代替。

[编辑] 专用超级电脑
专用超级电脑都是针对单一问题而开发的电脑。这些电脑都使用专门编程的FPGA芯片及超大型密集芯片，纵然牺牲普遍性也要提高成本效能比率。它们被用于天文物理学及密码破解之上。

例子:

深蓝, (下棋)
可再重设电算
GRAPE, 天文物理
Deep Crack, DES解码器

[编辑] 现今最快超级电脑

[编辑] 量度速度
超级电脑速度以每秒的浮点运算"FLOPS" 来作量度单位。

[编辑] 现在的超级电脑
2005年3月25日，IBM的Blue Gene/L原型变成了最快的超级电脑。它是单一机器安装了32768处理器，运算能力高达280.6 TFLOPS (1012 FLOPS)。Blue Gene/L原型是PowerPC架构的修改版本，正式运作版本被推出到很多地点，包括罗兰士利物摩亚国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）。2005年10月28日，虽然运算能力高，但比预期的360TFLOPS低，将来的版本会提高到0.5PFLOPS。以前，一台 Blue Gene/L安装了131072处理器，运算力高达101.5TFLOPS。[1] 2005年11月，IBM Blue Gene/L 成了首500强超级电脑排名榜的第一名。[2]

现在Google server farm可算是世界上最高性能的超级电脑。

[编辑] 过往的超级电脑
在Blue Gene/L之前，最快的超级电脑是日本电气株式会社在横滨地球科学学院的地球模拟器。它是由640个特别设计的8阶向量处理器根据NEC SX-6架构所组成的丛集。它使用UNIX的修改版本。

面世的一刻，地球模拟器的速度是比以前最快的超级电脑（美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室的ASCI White）还要快4倍。它的冠军位置维持了2.5年。

首500强超级电脑排名榜可见于 http://www.top500.org/ 。

[编辑] 类超级运算
某些分布式运算把丛集超级运算推至极限。例如SETI@home计划现在平均有72.53TFLOPS运算能力。[3].

2005年5月16日，Folding@home声称拥有195TFLOPS运算能力。[4]

GIMPS运算能力也高达18TFLOPS。

Google的搜寻引擎系统总处理能力界乎于126及316TFLOPS之间。Tristan Louis估计这个系统等于32000至79000台双2 GHzXeon电脑。[5] 由于散热问题，Google的搜寻引擎系统应该属于网格运算。

[编辑] 超级电脑时间线
由古至今：

时期 超级电脑 极速 地点
1906 Babbage Analytical Engine, Mill 0.3 OPS 英国 艾萨斯 霍特福格兰 RW门罗
1938年 Zuse Z1 0.9 FLOPS 德国柏林Konrad Zuse的父母居所
1939年 Zuse Z2 0.9 OPS 德国柏林Konrad Zuse的父母居所
1941年 Zuse Z3 1.4 FLOPS 德国柏林德国气体动力学研究所(DVL)
1942年 Atanasoff Berry Computer (ABC) 30 OPS 美国衣阿华州立大学
1942年 TRE Heath Robinson 200 OPS 英国帕雷屈里庄园
1943年 TRE Colossus 5 kOPS 英国帕雷屈里庄园
1946年–
1948 U. of Pennsylvania ENIAC 50 kOPS 美国马里兰州Aberdeen实验基地
1954年 IBM NORC 67 kOPS 美国维珍妮亚州海军试验基地
1956年 MIT TX-0 83 kOPS 美国麻省理工
1958年 IBM SAGE 400 kOPS 美国空军23号基地
1960年 UNIVAC LARC 500 kFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
1961年 IBM 7030 "Stretch" 1.2 MFLOPS 美国新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯国家实验室
1964年 CDC 6600 3 MFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
1969年 CDC 7600 36 MFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
1974年 CDC STAR-100 100 MFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
1975年 Burroughs ILLIAC IV 150 MFLOPS 美国加州NASA恩斯研究中心
1976年 Cray-1 250 MFLOPS 美国新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯国家实验室
1981年 CDC Cyber 205 400 MFLOPS (世界很多地方)
1983年 Cray X-MP/4 941 MFLOPS 美国新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯国家实验室,波音公司
1984年 M-13 2.4 GFLOPS 苏联莫斯科计算机科学研究学院
1985年 Cray-2/8 3.9 GFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
1989年 ETA10-G/8 10.3 GFLOPS 美国佛罗里达大学
1990年 NEC SX-3/44R 23.2 GFLOPS 日本府中市NEC府中厂
1993年 Thinking Machines CM-5/1024 59.70 GFLOPS 美国新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯国家实验室; 美国国家安全局
1993年 Fujitsu Numerical Wind Tunnel 124.50 GFLOPS 日本国家宇航实验室
1993年 Intel XP/S140 143.40 GFLOPS 美国山迪亚国家实验室
1994年 Fujitsu Numerical Wind Tunnel 170.40 GFLOPS 日本国家宇航实验室
1996年 Hitachi SR2201/1024 220.4 GFLOPS 日本东京大学
1996年 Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048 368.2 GFLOPS 日本筑波市筑波大学电算物理中心
1997年 Intel ASCI Red/9152 1.338 TFLOPS 美国山迪亚国家实验室
1999年 Intel ASCI Red/9632 2.3796 TFLOPS 美国山迪亚国家实验室
2000年 IBM ASCI White 7.226 TFLOPS 美国加州罗兰士利物摩亚国家实验室
2002年 NEC 地球模拟器 35.86 TFLOPS 日本地球模拟器中心
2004年 IBM Blue Gene/L (32,768) 70.72 TFLOPS 美国能源部/IBM
2005年 IBM Blue Gene/L (65,536) 136.8 TFLOPS 美国能源部/NNSA/LLNL
2005年 IBM Blue Gene/L (131,072) 280.6 TFLOPS 美国能源部/NNSA/LLNL

中国的超级电脑是曙光4000A。本回答被提问者采纳