超級電腦

超級電腦 （简体）

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超級電腦（英語：Super Computer），指在運算速度或容量上領先世界的電子電腦。它的體系設計和運作機制都與人們日常使用的個人電腦有很大區別。現有的超級電腦運算速度大都可以達到每秒兆（萬億，非百萬）次以上。因此無論在運算力及速度都是全球頂尖。「超級電腦」第一次被使用是在媒體「紐約世界」於1920年關於萬國商業機器為哥倫比亞大學建造製表機的報導。

1960年代，超級電腦由希穆爾·克雷在Control Data Corporation裡設計出來並帶領市場直到1970年代克雷創立自己的公司克雷研究。憑著他的新設計，他控制了整個超級電腦市場，並佔據顛峰位置長達五年(1985-1990)。到了1980年代，正值小型電腦市場萌芽階段，大量小型對手加入競爭。在1990年代中葉，很多對手受不了市場的衝擊而消聲匿跡。今天，超級電腦成了一種由像國際商用機器公司及惠普等大型電腦公司所特意設計的電腦。雖然這些公司透過不斷併購其他公司而增強了自己的經驗，但除他們以外的元老公司——克雷研究——依然是超級電腦領域的巨頭。

「超級電腦」一詞並無明確定義，其含義隨電腦業界的發展而發生變化。早期的控制資料公司機器可達十倍速於競爭對手，但仍然是比較原始的純量處理器。到了1970年代，大部分超級電腦就已經是向量處理器了，很多是新晉者自行開發的廉價處理器來攻佔市場。1980年代初期，業界開始轉向大規模並列運算系統，這時的超級電腦由成千上萬的普通處理器所組成。1980年代中葉，將適量的向量處理器(一般由8個到16個不等)聯合起來進行並列運算成為通用的方法。1990年代以後到21世紀初，超級電腦則主要由基於精簡指令集（RISC）的處理器（譬如PowerPC或PA-RISC）互聯進行並列運算而實行。

目錄 1 軟體 2 用途 3 設計 3.1 挑戰與科技 3.2 處理技術 3.3 作業系統 3.4 編程 4 通用超級電腦的型式 5 專用超級電腦 6 最快的超級電腦 6.1 速度單位 6.2 計畫中的超級電腦 6.3 目前最快的超級電腦 6.4 過往的超級電腦 6.5 類超級運算 7 超級計算機時間線 8 科幻中的超級電腦 9 參考文獻 10 參見 10.1 歷史及概念 10.2 其他型式 10.3 超級電腦公司及系統 10.4 超級電腦 11 外部連結 11.1 資源 11.2 中心及組織 11.3 通用的超級電腦 11.4 專用的超級電腦

軟體

分佈式運算所用的軟體包括一些標準的應用編程介面（如資訊傳遞介面及並列虛擬機器器）及開放源碼軟體（例如openMosix可以把很多普通的電腦聯合成虛擬超級運算器）。

零設定技術方便了即興建立電腦分佈運算網路，而為超級電腦製作容易的程式語言仍然是運算科學的研究課題。

用途

超級電腦常用於需要大量運算的工作，譬如天氣預測、氣候研究、運算化學、分子模型、物理類比、密碼分析等等。

設計

超級電腦的創新設計在於把複雜的工作細分為可以同時處理的工作並分配於不同的處理器。他們在進行特定的運算方面表現突出，但在處理一般工作時卻差強人意。他們的資料結構是經過精心設計來確保資料及指令及時送達——傳遞速度的細微差別可以導致運算能力的巨大差別。其輸入／輸出系統也有特殊設計來提供高頻寬，但是這裡的資料傳輸延遲卻並不重要——超級電腦並非資料交換機。

根據Amdahl's law，超級電腦的設計都集中在減少軟體上的序列化、用硬體在瓶頸上加速。

挑戰與科技

• 超級電腦常產生高熱，需要冷卻。冷卻是很大的通風空調^[1]問題。
• 資訊傳送不能比光快。幾米的距離導致幾十奈秒的延誤，而克雷著名的環型設計保持了最短距離。
• 超級電腦在短時間耗用及生產大量資料，需要投入很多資源確保資訊妥善傳送及存取。

因超級電腦而開發的科技：

• 向量處理器
• 水冷技術
• 非均勻訪存模型(NUMA)
• 資料分割 (RAID)
• 並列存取檔案系統

處理技術

向量處理因超級電腦而建立並用於高性能運算。向量處理技術後來被用於普通電腦內的訊號處理架構及單指令流多資料流（SIMD）。例如：電視遊樂器、影像卡等。

作業系統

超級電腦作業系統雖然是UNIX的變種，但比小型電腦的複雜一點。一般都傾向減少開發它的使用者介面，因為可以減少浪費資源在不必要的工作上。同樣的道理應用到價值幾百萬的電腦身上。

1980年代初期，超級電腦通常會為了追求性能而犧牲指令集的相容性及運載速度。它們會使用不同型式的作業系統。雷克－１曾使用6個專屬作業系統及並列向量版本的FORTRAN編譯器。

編程

超級電腦的並列架構需要特別編程技術來提高速度。Fortran的專門編譯器可以產生的源碼，執行比C或C++的更快，所以Fortran仍然被選用作科學編程。為了開發超級電腦的並列性都使用緊接分享記憶的並列虛擬器及資訊傳遞介面。

通用超級電腦的型式

大致上可以分為三種：

• 向量處理機器能為大量資料同時進行同樣的運算。
• 叢集式處理器特別建立連線處理器及記憶體的通訊網路，非均勻訪存模型就是最常見的。最快的超級電腦就是使用這個科技。
• 商品電腦叢集使用高頻寬低延誤的網路來連線大量普通商品電腦。

根據摩爾定律及經濟規模，一個現代的桌面電腦比15年前的超級電腦有更高性能，皆因某些超級電腦的設計已經放在桌面電腦內。再者，簡單晶片的開發及生產成本位元意設計給超級電腦的更便宜。

超級電腦所處理的問題都適合併行化，當中減少處理單元之間的資料傳送量。因此，傳統的超級電腦可以被電腦叢集所代替。

專用超級電腦

專用超級電腦都是針對單一問題而開發的電腦。這些電腦都使用專門編程的FPGA晶片及超大型密集晶片，縱然犧牲普遍性也要提高成本效能比率。它們被用於天文物理學及密碼破解之上。

例子:

• 深藍, (下棋)
• 可再重設電算
• GRAPE, 天文物理
• Deep Crack, DES解碼器

最快的超級電腦

首500強超級電腦排名榜可見於 http://www.top500.org/

速度單位

超級電腦速度以每秒的浮點運算"FLOPS" 來作量度單位。 常見的表示電腦中的數量或速度用的單位英漢對照如下：

1K=2¹⁰=1,024

1M=2²⁰=1,024×1,024=1,048,576

1G=2³⁰=1,024×1,024×1,024=1,073,741,824

1T=2⁴⁰=1,024×1,024×1,024×1,024=1,099,511,627,776

1P=2⁵⁰=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,125,899,906,842,624

1E=2⁶⁰=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,152,921,504,606,846,976

1Z=2⁷⁰=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,180,591,620,717,411,303,424

1Y=2⁸⁰=1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024×1,024=1,208,925,819,614,629,174,706,176

（電腦中的進位在涉及縮寫時通常是以2¹⁰(1024)為進位的）

計畫中的超級電腦

2009年2月4日，IBM發表Sequoia超級電腦，運算速度約為20 Petaflops，主要為國家核能安全署（National Nuclear Security Administration）提供核子武器儲存類比測試所需的運算能力，將放置於美國能源部加州的勞倫斯‧利弗莫爾（Lawrence Livermore）國家實驗室，預計於2011年建設完成。

目前最快的超級電腦

• 2009年10月，中國研製的第一台千萬億次超級電腦在湖南長沙亮相，這台名為天河一號的電腦位居同日公布的中國超級電腦前１００強之首，也使中國成為繼美國之後世界上第二個能夠研製千萬億次超級電腦的國家。全系統峰值性能為每秒1.206PFlops。

• 2008年11月，IBM的Roadrunner成為當今最快的超級電腦，運算能力為1.105PFlops。

• 2008年11月16日，美國超級電腦公司推出Jaguar系列，運算能力為1.059PFlops，採用45376顆四核心的Opteron處理器，362TB的記憶體，傳輸總頻寬284GB/Sec，硬碟容量10,750TB，內部的資料匯流排頻寬532TB/Sec。這台電腦將建置在美國的國家高速電腦中心，並開放給各界有需要的團體申請使用。

過往的超級電腦

• 2007年11月，IBM的Blue Gene/L，運算能力為478.2 TFlops，安裝了32768個處理器。它是PowerPC架構的修改版本，正式運作版本被推出到很多地點，包括羅蘭士利物摩亞國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）。

• 在Blue Gene/L之前，最快的超級電腦是日本電力株式會社在橫濱地球科學學院的地球類比器。它由640個特別設計的8階向量處理器根據NEC SX-6架構所組成的叢集，使用UNIX的修改版本。

• 在地球類比器之前，最快的超級電腦是美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室的ASCI White，它的冠軍位置維持了2.5年。

類超級運算

• 某些分佈式運算把叢集超級運算推至極限。例如SETI@home計劃現在平均有514.939 TeraFLOPS運算能力。[1].

• 2009年4月，Folding@home聲稱擁有超過8PFLOPS運算能力。[2]

• GIMPS運算能力也高達18TFLOPS。

• Google的搜尋引擎系統Google server farm總處理能力界乎於126及316TFLOPS之間。Tristan Louis估計這個系統等於32000至79000台雙2 GHzXeon電腦。[3] 由於散熱問題，Google的搜尋引擎系統應該屬於網格運算。

超級計算機時間線

由古至今：

年份	超級計算機	FLOPS	地點
1942年	Atanasoff–Berry Computer (ABC)	30 OPS	美國衣阿華州立大學
	TRE Heath Robinson	200 OPS	英國帕雷屈裡莊園
1944年	Flowers Colossus	5 kOPS	英國Dollis Hill Post Office Research Station
1946年	UPenn ENIAC	100 kOPS	美國馬里蘭州戰爭部阿伯丁試基地
1954年	IBM NORC	67 kOPS	美國維珍妮亞州海軍試驗基地
1956年	MIT TX-0	83 kOPS	美國麻省理工大學
1958年	IBM AN/FSQ-7	400 kOPS	美國空軍23號基地
1960年	UNIVAC LARC	250 kFLOPS	美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室
1961年	IBM 7030 "Stretch"	1.2 MFLOPS	美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室
1964年	CDC 6600	3 MFLOPS	美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室
1969年	CDC 7600	36 MFLOPS
1974年	CDC STAR-100	100 MFLOPS
1975年	Burroughs ILLIAC IV	150 MFLOPS	美國加州NASA恩斯研究中心
1976年	Cray-1	250 MFLOPS	美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室
1981年	CDC Cyber 205	400 MFLOPS	(世界很多地方)
1983年	Cray X-MP/4	941 MFLOPS	美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室,波音公司
1984年	M-13	2.4 GFLOPS	蘇聯莫斯科電腦科學研究學院
1985年	Cray-2/8	3.9 GFLOPS	美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室
1989年	ETA10-G/8	10.3 GFLOPS	美國佛羅里達大學
1990年	NEC SX-3/44R	23.2 GFLOPS	日本府中市NEC府中廠
1993年	Thinking Machines CM-5/1024	65.5 GFLOPS	美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室; 美國國家安全域
	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	124.50 GFLOPS	日本國家宇航實驗室
	Intel Paragon XP/S 140	143.40 GFLOPS	美國山迪亞國家實驗室
1994年	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	170.40 GFLOPS	日本國家宇航實驗室
1996年	Hitachi SR2201/1024	220.4 GFLOPS	日本東京大學
	Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048	368.2 GFLOPS	日本築波市築波大學電算物理中心
1997年	Intel ASCI Red/9152	1.338 TFLOPS	美國山迪亞國家實驗室
1999年	Intel ASCI Red/9632	2.3796 TFLOPS
2000年	IBM ASCI White	7.226 TFLOPS	美國加州羅蘭士利物摩亞國家實驗室
2002年	NEC地球類比器	35.86 TFLOPS	日本地球類比器中心
2004年	IBM Blue Gene/L	70.72 TFLOPS	美國能源部/IBM
2005年		136.8 TFLOPS	美國能源部/NNSA/LLNL
		280.6 TFLOPS
2007年		478.2 TFLOPS
2008年	IBM Roadrunner	1.026 PFLOPS	美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室
		1.105 PFLOPS
2009年	Cray XT5	2.331 PFLOPS	美國橡樹嶺國家實驗室

科幻中的超級電腦

• Matrix-「母體」是電影《駭客任務》（The Matrix）中，由機器所創造出的一個類比環境，用以控制人類，並從人類身上吸取能源。
• Skynet-「天網」是電影《魔鬼終結者》（The Terminator）中美國軍方所開發具有人工智慧的超級電腦，但後來它具有自我意識而以全人類為敵。
• HAL 9000
• TRANSLTR是丹·布朗（Dan Brown）的小說-《數位密碼》（Digital Fortress）中美國國家安全域（NSA）所暗中開發的超級電腦，主要用來監聽網際網路封包，破解一切可能對國家安全造成威脅的加密訊息，包括加密的電子郵件，但是它的存在不被政府所承認。

參考文獻

參見

歷史及概念

• Beowulf 叢集
• 分佈式運算
• 快閃黨電腦
• 網格運算
• 運算歷史
• MOSIX
• 並列運算

其他型式

• 小型超級電腦
• 主機
• 量子電腦
• 小型電腦
• 微型電腦

超級電腦公司及系統

• 叢集資源公司
• 克雷研究公司
• 富士通
• 星盈科技(Galactic Computing Corp.)
• Groupe Bull（法國公司曾宣稱製造歐洲最高性能的超級電腦）
• IBM
• nCUBE
• NEC
• 超級電腦系統
• SGI
• 昇陽電腦公司(Sun Microsystems) － 提供Sun Grid Engine、Lustre檔案系統等開放原始碼軟體

超級電腦

• 超級電腦500強
• 超級電腦列表

外部連結

資源

• 首500超級電腦列表
• Linux 高性能運算及叢集
• Dead Supercomputer
• 叢集資源
• 叢集建立者
• 中國高性能電腦性能TOP100排行榜

中心及組織

• HPCx 英國超級電腦服務，由EPCC及Daresbury實驗室營運
• CSAR 英國超級電腦服務，由曼徹斯特電算營運
• HPC-UK 由曼徹斯特電算、EPCC及Daresbury Lab策略協辦
• 聖地牙哥巨型電腦中心(SDSC)
• Teragrid
• WestGrid
• VirginiaTech
• IRB
• SARA
• 匹茲堡巨型電腦中心,由匹茲堡大學和卡內基梅隆大學營運
• LinuxHPC.org
• 國家高速網路與運算中心 位於台灣新竹，是中華民國國家實驗研究院的附屬機構。

通用的超級電腦

• 惠普宣布建立Linux超級電腦
• Linux NetworkX新聞報導: Linux NetworX 建立最大的Linux超級電腦
• 有關ASCI White 報導
• 有關日原生球類比器
• 地球類比器(英語)
• NEC 高性能運算資料
• 超導體超級電腦

專用的超級電腦

• GRAPE專用電腦文獻
• 更多專用電腦資料
• APEmille專用電腦資料
• QCDOC計劃

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