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發(fā)布日期：2006年8月18日  作者： 《網(wǎng)絡(luò)世界》 宋家雨（轉(zhuǎn)載）《存儲(chǔ)時(shí)代》集群并不專指Beowulf集群，此外還有SMP以及采用專有通信網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)集群，還有共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)和并行向量機(jī)。這些不同體系架構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)，共同支撐起了高性能計(jì)算的天空。中科院軟件所并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室一直負(fù)責(zé)組織中國(guó)軟件行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)學(xué)軟件分會(huì)每年的中國(guó)高性能計(jì)算TOP100排行榜，記者日前采訪了該實(shí)驗(yàn)室的張?jiān)迫敝魅?，?jù)他們的統(tǒng)計(jì)，TOP100之中，有70臺(tái)機(jī)器采用集群體系架構(gòu)，而TOP10中，只有9臺(tái)采用集群。這里所說的集群，是指IA架構(gòu)服務(wù)器機(jī)群，確切的說法是Beowulf集群，就是通過Myrinet、InfiniBand或者千兆以太網(wǎng)將大量IA架構(gòu)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)按照某種拓?fù)溥M(jìn)行連接，從而構(gòu)建起“平民”價(jià)位的高性能計(jì)算系統(tǒng)。Beowulf集群最大優(yōu)點(diǎn)就是性價(jià)比。但在此需要指出，集群并不專指Beowulf集群，此外還有SMP（Symmetric Multi- Processing，對(duì)稱多處理，是一種一致內(nèi)存存取的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）集群，以及采用專有通信網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)集群（如IBM的SP2，HP的Integrity）等。他們統(tǒng)稱為集群，都屬于分布式存儲(chǔ)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于高性能計(jì)算而言，還有共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)（如NUMA和cc-NUMA等）和并行向量機(jī)（如銀河、地球模擬器等）體系結(jié)構(gòu)。這些不同體系架構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)，共同支撐起了高性能計(jì)算的天空。集群尚需努力實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算有很多種方式，但國(guó)內(nèi)更多的是對(duì)于Beowulf集群方式的津津樂道。記得在一次采訪中，寶德科技董事、總經(jīng)理李瑞杰就曾經(jīng)說過，高性能計(jì)算TOP500世界排名沒什么了不起，只要你有錢，網(wǎng)上有現(xiàn)成的方案，隨時(shí)可以搭一個(gè)萬億次的系統(tǒng)。言下之意，集群并沒有更多的技術(shù)難度。現(xiàn)實(shí)狀況是，集群在國(guó)內(nèi)的發(fā)展很快，聯(lián)想、浪潮、曙光等國(guó)內(nèi)廠商都推出了各自的高性能計(jì)算系統(tǒng)，寶德也通過與Bull公司合作，推出了自己的高性能計(jì)算系統(tǒng)。從市場(chǎng)的狀況看，高性能計(jì)算開始從科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域向行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域滲透，其發(fā)展速度很快，各地政府都把高性能計(jì)算中心作為衡量省市科技水平的重要基礎(chǔ)設(shè)施，此外，高校各個(gè)學(xué)科之間，也把高性能計(jì)算能力作為基礎(chǔ)科研能力，在船舶、汽車、飛行器、復(fù)合材料等多種研究領(lǐng)域都有大量的高性能計(jì)算需求。這也是吸引國(guó)內(nèi)廠商涉足高性能計(jì)算市場(chǎng)的原因之一。那么，用戶對(duì)集群系統(tǒng)的要求如何呢？記者為此也采訪了部分國(guó)內(nèi)用戶，據(jù)上海超級(jí)計(jì)算中心副主任袁俊介紹，集群系統(tǒng)最重要的是其穩(wěn)定性、可靠性、可用性和兼容性，性能往往不是放在第一位的要求，尤其是對(duì)于大規(guī)模集群系統(tǒng)。袁俊表示，構(gòu)建超大規(guī)模集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該嚴(yán)格遵循工程化的體系和標(biāo)準(zhǔn)，而不是走向兩個(gè)極端：簡(jiǎn)單地“攢”一臺(tái)機(jī)器或者作為一種科學(xué)研究，研究出一臺(tái)機(jī)器。嚴(yán)格工程化對(duì)于該機(jī)日后投入業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)效能至關(guān)重要。嚴(yán)格工程化的一個(gè)典型要求是對(duì)于大規(guī)模集群系統(tǒng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)軟件所進(jìn)行的科學(xué)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格驗(yàn)證其正確性、兼容性測(cè)試，以及其在試運(yùn)行過程中，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行修正。此外，重要系統(tǒng)軟件進(jìn)行升級(jí)，都需要按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，不可隨意變動(dòng)系統(tǒng)軟件。對(duì)于一臺(tái)大規(guī)模集群系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)軟件應(yīng)該包括操作系統(tǒng)、編譯器、并行庫(kù)、互聯(lián)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、作業(yè)管理調(diào)度、文件系統(tǒng)管理以及科學(xué)計(jì)算函數(shù)庫(kù)等。很多超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性之所以良好，就在于遵循了這樣的原則。當(dāng)然，這些要求因不同用戶的不同用途而有所不同，非嚴(yán)格業(yè)務(wù)運(yùn)行的機(jī)器，比如用于研究的試驗(yàn)集群，或小部門、或個(gè)人級(jí)集群，可能上述要求沒有太大意義。但是對(duì)于諸如中科院網(wǎng)絡(luò)中心超級(jí)計(jì)算中心和上海超級(jí)計(jì)算中心這樣的單位而言，因其目標(biāo)是對(duì)外提供服務(wù)，這些要求就變得非常重要了。目前集群系統(tǒng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性并非由集成商決定，而是由系統(tǒng)所選用的品牌型號(hào)來決定，例如主板，目前國(guó)內(nèi)廠商大多沒有兩路或四路服務(wù)器主板的設(shè)計(jì)制造能力，基本上是OEM臺(tái)灣廠商的品牌。品牌定了，其性能也就定了，從散熱、電磁兼容到電源設(shè)計(jì)基本上比較成熟和穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)的故障并不高。以上海超算中心為例，其曙光4000A系統(tǒng)運(yùn)行了大約2年時(shí)間，基本沒有因?yàn)橛?jì)算節(jié)點(diǎn)故障造成系統(tǒng)宕機(jī)，更多的問題還是在系統(tǒng)軟件與硬件的配合層面。并行化軟件的出路張?jiān)迫┦勘硎?，集群系統(tǒng)與其他體系結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算系統(tǒng)相比，價(jià)格便宜，配置靈活，且有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域?？傮w來講，集群系統(tǒng)比較適用于那些對(duì)于通信要求較低的計(jì)算任務(wù)。例如石油勘探領(lǐng)域的疊前偏移，節(jié)點(diǎn)之間幾乎不需要通信，其性能表現(xiàn)近乎線性加速，此類應(yīng)用，非常適合采用集群。對(duì)于共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算系統(tǒng)而言，例如NUMA、cc-NUMA，它采用了單一地址編碼的大內(nèi)存共享結(jié)構(gòu)，并以O(shè)penMP工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為程序設(shè)計(jì)環(huán)境。對(duì)于編程人員而言，其軟件容易編寫；而集群采用MPI程序設(shè)計(jì)環(huán)境，其程序設(shè)計(jì)難度比OpenMP大。OpenMP更加適合圖形并行處理，以SGI的超級(jí)計(jì)算機(jī)為代表，適合應(yīng)用在可視化應(yīng)用領(lǐng)域。同樣，并行向量超級(jí)計(jì)算機(jī)，例如銀河、地球模擬器等，也有其專長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)張?jiān)迫┦拷榻B，從TOP500發(fā)展來看，目前國(guó)外出現(xiàn)了多種體系結(jié)構(gòu)融合的發(fā)展趨勢(shì)，不同體系結(jié)構(gòu)之間并不存在嚴(yán)格的界限。據(jù)Bull公司高級(jí)顧問陳興介紹，在他們的用戶之中，既有從SMP轉(zhuǎn)向集群的用戶；也有用戶放棄集群改用SMP的結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)沒有優(yōu)劣之分，完全取決于用戶的情況和投資。例如有些高校，經(jīng)費(fèi)非常有限，那么就只有采用集群的方式，而對(duì)于那些關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的用戶而言，就需要采用具有更好穩(wěn)定性的SMP架構(gòu)的系統(tǒng)。無論采用什么樣結(jié)構(gòu)的高性能計(jì)算系統(tǒng)，并行化軟件都是一個(gè)關(guān)鍵性問題。對(duì)此，袁俊表示，目前國(guó)內(nèi)能夠編寫并行化軟件的人員非常的缺乏，國(guó)內(nèi)高校少有開設(shè)相應(yīng)的課程，即使有也主要面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，而不是未來可能成為超級(jí)計(jì)算用戶的學(xué)生，如力學(xué)、物理、化學(xué)、生物等專業(yè)的學(xué)生。此外，懂得并行化軟件編寫的人不見得懂得高性能計(jì)算系統(tǒng)，不能夠根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，合理編寫開發(fā)并行軟件。其問題很多，上機(jī)計(jì)算故障也很多。據(jù)了解，目前市場(chǎng)上的商用軟件基本上都可以拿到并行版，但是價(jià)格相當(dāng)昂貴，國(guó)內(nèi)的用戶很難承受。袁俊認(rèn)為，現(xiàn)有的大學(xué)教育一定要加強(qiáng)科學(xué)和工程專業(yè)學(xué)生、特別是碩士研究生階段的計(jì)算科學(xué)（computational science）方面的教育和培訓(xùn)，并把并行計(jì)算方法和編程作為必修課程。據(jù)袁俊介紹，目前國(guó)內(nèi)用戶所采用的并行化軟件來自各種渠道，如學(xué)術(shù)或?qū)I(yè)團(tuán)體所發(fā)布的并行軟件，國(guó)內(nèi)用戶只需要支付少量的版權(quán)費(fèi)就可以拿到源代碼或者是執(zhí)行版軟件，有些甚至不需支付費(fèi)用，這類軟件還是非常豐富的。此外，就是購(gòu)買商業(yè)化軟件，這些軟件往往也是根據(jù)CPU數(shù)量收取費(fèi)用的，價(jià)格比較貴，目前國(guó)內(nèi)還沒有成熟的并行商業(yè)軟件。袁俊表示，不同架構(gòu)平臺(tái)的軟件可以進(jìn)行移植，移植內(nèi)容和工作量不等。從上海超算的應(yīng)用情況看，目前的應(yīng)用可以劃分為幾大類，一部分是中科院所屬院所和高校的用戶，大多是一些基礎(chǔ)研究的科目；其次工業(yè)企業(yè)、設(shè)計(jì)院的用戶，所從事項(xiàng)目與我國(guó)主要工業(yè)領(lǐng)域密切相關(guān)；也有一些政府部門的用戶。高性能計(jì)算的研究所、計(jì)算中心和用戶普遍反映，目前國(guó)家需要增加對(duì)高性能計(jì)算的投入。目前中國(guó)科學(xué)院的數(shù)十位知名院士正在呼吁國(guó)家要重視高性能計(jì)算，在科學(xué)計(jì)算、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件上要進(jìn)行專門規(guī)劃和投資。起跑前的準(zhǔn)備高性能計(jì)算我們才剛剛開始。集群的出現(xiàn)雖然降低了高性能計(jì)算的門檻，但是無論是系統(tǒng)架構(gòu)的研究上，還是在并行軟件的開發(fā)上，國(guó)內(nèi)都還存在著很大的差距。這種差距不僅體現(xiàn)在技術(shù)上，同樣體現(xiàn)在認(rèn)識(shí)上。以深圳蜆殼公司的超級(jí)刀片計(jì)算機(jī)為例，該公司的創(chuàng)始人陳世卿博士，曾經(jīng)是Cray公司的首席設(shè)計(jì)師和資深副總裁，美國(guó)國(guó)家工程院的院士，美國(guó)《時(shí)代》雜志的封面人物，是業(yè)內(nèi)共認(rèn)的“超級(jí)巨星”。2002年陳世卿博士將其專利技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到中國(guó)內(nèi)陸，在深圳推出了新的超級(jí)刀片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但是國(guó)內(nèi)用戶對(duì)此缺乏關(guān)注和了解。類似的國(guó)家并行機(jī)工程中心推出了InfiniBand交換機(jī)，但是在目前國(guó)內(nèi)的集群系統(tǒng)中，少有采用。基于這樣的現(xiàn)實(shí)狀況，一方面需要蜆殼等新興力量加大市場(chǎng)的投入，另外一方面，那些具有實(shí)力的老牌計(jì)算機(jī)也應(yīng)該居安思危，不斷加強(qiáng)研發(fā)，爭(zhēng)取有所突破才行。在采訪中，很多專家都希望能讓大眾了解到集群系統(tǒng)不是高性能計(jì)算機(jī)的全部，呼吁廠商千萬不要誤導(dǎo)大眾。否則這對(duì)于國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算的市場(chǎng)發(fā)展非常不利，因?yàn)榧簱尾黄鹑刻炜眨?div 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