什么是高性能计算？高性能计算有什么用？为什么我国要发展高性能计算

超级计算机又称超算，HPC，高性能计算等。

相比于手机、互联网、云计算等行业，高性能计算是一个非常冷门的行业，除非专业人士，否则很少有人能关注到，一直远离公众视野，鲜为人知。

但近几年，随着科技对国家战略的越来越重要，高性能计算开始出现在各种媒体，被逐渐重视起来。

为什么要做高性能计算？

人类对计算及性能的要求是无止境的，有了高性能计算，对科研工程、模拟仿真等领域的发展会起到非常好的促进作用。

今天就和大家来聊聊高性能计算的发展历史。

上世纪七十年代，美国克雷机开启了高性能计算的大幕。超级计算机一经推出就大受追捧，先后被美国能源部、国防部、波音、美孚石油采购。

现在大家对高性能计算大致分为这样四个阶段：向量机、SMP、MPP、集群。

八十年代，我国也推出了自己的向量机：银河1号，用来计算核爆、流体力学、石油开采等一些亟待解决又高度保密的课题。现在银河1号向量机已经退役。

向量机虽然计算性能强大，但缺点也十分明显，就是所有软硬件都需要专门设计定制，与市场上大量销售的软硬件不兼容，这使得向量机的价格非常昂贵，很难做到普及。

这个缺点严重制约了向量机的发展。所以当时人们为了降低向量机的成本，把目标转向通用的软硬件设备，于是SMP就此诞生。

SMP可以翻译为”对称多处理”。它是在计算机里安装多块处理器，共享内存和数据总线来提高计算性能。就像现在的手机、平板、PC使用的多核CPU其实也是SMP架构，区别是以前的处理器会安装在主板的多个基座上，由总线连接；现在是把多块处理器在生产时就封装到一起，插在一个基座上。

SMP技术难度低、计算能力提升明显、性价比高、市场需求大，能够兼容当时大多数软件，一经推出，就受到了众多厂商的跟风，当年Compaq、HP、IBM一众行业大佬，都是生产SMP服务器的主力军。

但SMP架构也有自己的缺点和限制，它需要共享内存和数据总线，运行过程中存在物理资源竞用的问题，这就限制了性能发挥，通过增加的处理器数量来增加性能的方式让其扩展性十分有限，也制约了SMP架构的发展。后来人们为了追求更强大的计算能力，便推出MPP架构。

MPP称为”大规模并行处理”。这种架构取消了共享内存和数据总线，把每台计算机做一个独立的节点单元来对待，节点之间用专用的高速网络连接，通过软件协同完成共同的任务，属于纯粹的无共享架构（ShareNothing）。

MPP架构相比SMP架构，性能虽然有了大幅提升，但是缺点也更多，比如对硬件设备要求高，产品价格贵，扩展能力不足，需要专门的软件来支持（开发MPP软件是远比MPP硬件更复杂的事）。所以它仍然是那些不在乎成本的IT巨头和垄断部门的专属玩物。实际这些年来，MPP之所以没有发展，这些制约缺点是主要原因。

于是，为了获得更强大的计算效果，高性能计算来到了第四个阶段：集群。

现在的计算机集群可说是这些年IT新技术发展的综合体和集大成者。除了继续沿用MPP节点的概念，还大量借鉴采用互联网衍生出来的各种基础技术。比如普遍采用通用硬件来降低设计和采购成本；采取“软件定义硬件”策略，把原本属于硬件的功能转移到软件来解决，而且还便于升级。

使用统一的协议支持异构计算平台，允许动态增加减少计算节点，通过”硬件冗余+软件容错“解决硬件运行过程中出现的问题。所以现在计算机集群即实现了超强的扩展能力，又能够保证足够的经济性。

另外，与前几次主要面向专业领域不同，当前集群的发展方向已经转向了商用领域，这是非常广大的市场，有着巨大的商业利益。例如在军事方面，在天气预测，在科研方面，在模拟仿真设计方面，在能源开发等方面，高性能计算越来越多的应用在商业领域。

由于面向商业用户，更多强调经济性和使用成本，使用虚拟化技术支持多租户共享，普遍采用按时付费的支付模式，能够根据用户需求分配云端资源。

集群架构另一个主要领域是超级计算机，当前世界上主要的超级计算机，比如我国的“神威”、“天河3”，美国的“泰坦”、“Summit”，日本的“京”，都属于集群架构。而且云计算和超级计算机也正在融合中，现在一种叫“超算云”的共享计算模式正在各大云平台中形成。

说完硬件，再说软件。由于建立在集群架构之上的业务需求、市场生态已经发生了根本变化，基于早期几种架构研发的软件很难发挥出集群的性能。目前现在有几家ICT巨头看好集群业务带来的商机，正在投入巨资研发通用的集群系统软件，希望一举拿下这个蓝海市场。

这有点象移动互联网刚刚开始的时候，苹果推出IPhone手机后，需要再推出iOS操作系统来适配IPhone手机。另外在超算领域，超级计算机做为国家综合科技实力的具体表现，与各国基础科研密切相关，将带动一大批产业发展，也都在加大对超算和超算软件的研发投入。所以现在无论是企业还是政府，都是一副百舸争流的状态，希望通过集群操作系统进一步巩固各自的优势地位，拿到下一场技术革命的门票。

最后，一个不争的事实是，目前无论云计算、超算，还是集群软件，仍然是美国最强，我国处于追赶地位。

由于集群硬件基本构型已经完成，现在各国发力竞争的主要是集群软件，尤其是集群操作系统这样的通用基础软件。美国曾经通过PC操作系统、手机操作系统获得在个人电脑、手机领域的决对优势，巩固了全球领导地位，进而影响全世界，直到现在。现在集群操作系统类似于当年iOS登场的时候，集群操作系统将决定我国未来二三十年在云计算、大数据、人工智能的生态市场和领导地位。

对于中国，这是一场不能输的战争。而且由于近几年我过高性能计算的发展，已经引起了美国方面的重视，针对高性能计算领域的封锁越来越严。

目前，前方道路依然漫长，需要我们一起凝聚力量去完成高性能计算的发展!