ISC 09前瞻：高性能计算的八大趋势预测

2009-06-08 17:05:41 服务器产品如果我们对高性能计算TOP500榜单进行预测一下会发现，速度突破100 Petaflops的系统最有可能在2016年出现。

1、前言

如果我们对高性能计算TOP500榜单进行预测一下会发现，速度突破100 Petaflops的系统最有可能在2016年出现。在过去的11年内，计算机系统的性能从Gigaflops（1986年推出的Cray 2）、到Teraflops（1997年推出的Intel ASCI Red）、再到Petaflops（2008年推出的IBM Roadrunner），性能增长了1000倍！虽然性能提升速度迅猛，但是高性能计算领域将越来越多地被高度计算密集型应用刷新纪录。这些应用来自不同的领域，例如量子物理学、气象预报、气候研究、分子模拟（计算化学元素的结构和组成、生物大分子、聚合体和结晶体）、物理模拟（例如飞机在风道中的飞行模拟以及核子融合研究）、密码分析学、以及针对石油开采的地震处理。对于以上大多数应用来说，只有Petaflops级的计算系统才能得出详细的计算结果。Exascale级系统有望在2019年出现。

那么在不久的将来会有怎样的发展趋势呢？现在和未来所有高性能计算系统的处理器需求带来的最大挑战就是：低成本、低能耗、并行程序支持的可用性以及对现有代码的有效运用。

2、大型集群中的多核系统

最近高性能计算系统方面的发展趋势表明了未来性能的增长将只通过增加系统规模来实现，例如使用大量组件，而不是提高单处理器的性能。

未来单CPU芯片将需要更高的主频，这就导致CPU能耗增加，产生更多热量和单CPU芯片的物理瓶颈，这些因素成为推动多核处理器技术的真正动力。从Terascale发展到Petascale级甚至更高的高性能计算系统意味着系统内的组件（内核、互连、存储等）数量也在迅猛增加。在不久的将来我们看到内核数在10万～100万甚至更多的多核集群系统。显然，这种高度并行的系统将带来并行软件开发、硬件容错和可靠性等诸多问题。

但是多核系统面对的真正难题是内存访问的带宽限制，因为一个多核芯片上的所有内核都在争夺内存访问路径。说到内存访问，一个很好的解决方案就是每个Flop和每个内核一个字节。如果这个解决方案可以实现的话，一个芯片有上百个内核都不成问题。Intel的Nehalem就是朝着这个方向，从每个Flop和每个内核半个字节。Intel最近展示了他们尚在实验室开发阶段、以未来为主导的原生80核芯片，预计计算性能将达到1 Teraflops。

未来的开发工作将主要集中在针对硬件架构满足并行程序的动态多核芯片，甚至未来还将开发具有矢量扩展的多核芯片。

有了所有这些多核技术，最终并行计算将普及开来。并行计算可以大幅提升高性能计算系统的速度、效率和性能，但是从1个发展到更多个中央处理单元（或者内核）并不是一件容易的事。

3、并行计算成为必需技术

硬件架构内计算组件的增加意味着我们要在应用程序的并行化上投入更多精力。向并行模式的转变并非易事，因为目前已经有很多项目是在单核技术基础上实施的。

并行计算机程序比连续计算程序更难编写，因为同步问题将带来不少潜在的软件漏洞，其中竞态条件是最常见的问题。在不同子任务之间的通信和同步往往是保持并行程序性能的最大挑战。众所周知，并行化工具的开发远远落后于高性能计算硬件。现在我们使用了很多不同的编程技术，例如将数据分区到CPU本地内存块中的数据定位技术。并行化将是每个基于多核系统的新程序开发的重中之重。嵌入现有的连续代码仍然是一个未解决的问题。

在一个芯片上增加更多内核的想法只有确保在并行编程上投入大量资金和精力的情况下才可能实现，否则超级计算机无法让应用运行得越来越快。正如我们在上面第2点中所说，未来性能增长的一个限制因素将是内存带宽。

4、GPU：既是多核的竞争对手，也是增值所在

GPU是多核CPU一个主要的竞争对手，它是一种用于科学计算的图形卡。关于GPU主要有四点：它的速度很快，而且会越来越快；它的价格很低；它的能耗更低，但是第四点也是它的瓶颈所在。

GPU仅适用于那些运行某种数值运算的任务。GPU是专门针对流程图、也就是处理数据流设计的。图形芯片可以被视作大量多核，在高端方面甚至有多达800个单元在同时运行，一个GPU集群内可能就有超过3000个。

以下的数字说明了GPU的巨大潜力。AMD和Nvidia最快的图形芯片已经达到了Teraflops层级，在这个范围内，普通的多核芯片的速度就显得相形见绌了。

GPU真正的问题在于，它不能像普通的x86、Sparc或者Power CPU那样进行编程。这就是为什么Nvidia GPU提供了CUDA技术的支持，CUDA提供了一系列用户层级的子路径，允许GPU利用标准C语言或者Fortran进行编程，无需使用专门针对图形的API。

东京技术研究所所使用的“Tsubame”超级计算机是TOP500榜单中第一个采用Nvidia Tesla图形芯片的系统。该系统集群有170个Tesla-S1070系统组成，理论性能可以达到170 Teraflops，实际系统可以达到7748 Teraflops，这在TOP500榜单（2008年11月发布的）上可以排到第29位。

未来的高性能计算系统中，硬件架构将成为一个由专门CPU和GPU类型内核所组成的系统。

但是就现在来说，高性能计算最具挑战性的问题就是能耗。未来，芯片制造商和数据中心经理必须解决能源效率和能耗的问题。

5、绿色IT和能耗

性能在Teraflops甚至更高的计算系统的能耗是非常惊人的。你可能还记得，曾经有一年美国经历了持续高温的天气，由于供电不足，很多超级计算机中心不得不关闭了他们的高性能计算设备。如果这种情况持续下去的话，未来4～5年内高性能计算数据中心的能耗将翻一番。据直接推断，Exaflops级系统的耗电量在兆瓦级。这就是为什么超级计算机中心经理尤其关注超级计算机开发的未来趋势，特别是能源供应方面。

惠普公司的Frank Baetke表示：“过去，传统的超级计算机中心在设计的时候并不考虑能耗问题。如果多核CPU的时钟频率只减少20%的话，那么其能耗相比以全时钟频率运行的系统减少了50%。”

高性能计算制造商和数据中心将更多地关注能源效率问题。因为，开发降低了能耗的高性能计算系统是很有必要的。

但是也许是我们已经在高性能计算领域划定了能耗的临界线，未来能耗增长将成为高性能计算应用的一个限制因素。现在，如何解决未来性能需求的同时不增加二氧化碳排放量、放缓全球温室效应仍然是一个亟待解决的问题。

一个解决办法就是不再将处理器生成的热量排放到空气中，而是通过液体进行冷却。这样，液体的温度升高，然后被输送到热量交换装置中，用于为办公室和房间供暖。现在，这方面的环境测试正在进行中。

绿色IT也和数据存储系统有着某些联系。

6、数据量将迅猛增长

数据量的增长将是惊人的，每几个小时产生一个Terabytes的速度已经不足为奇了。

尤其是在绿色IT的影响下，显著降低主存储组件的能耗是很有必要的。未来几年我们将看到在固态硬盘领域有新的开发成果出现。与传统硬盘驱动器相比，固态硬盘没有活动部件，他们的处理速度更快更稳定，可以切换到低能耗模式，而且固态硬盘的每瓦性能效率更高，这也是固态硬盘一个最大的优点。如果固态硬盘的价格可以降到足够低，那么它将成为取代传统硬盘驱动器安装在高性能计算系统中的最佳选择。

如果能够实现这一点，高性能计算必将步入主流趋势。

7、高性能计算将渗透到中小企业领域

集群多核系统的灵活结构——尤其是基于刀片技术——帮助高性能计算系统更广泛地渗透到中小企业领域。显然，数据中心会从低价位的小型高性能计算系统起步，然后根据他们的预算和应用需求逐渐扩展至更大型的系统。而且，越来越多的独立软件提供商也加入其中，通过他们的软件封装帮助企业更轻松地将高性能计算系统集成到他们的环境中。微软推出了可以取代Linux的Windows HPC Server，从而推动了高性能计算的采用率，为那些因为操作系统问题迟迟没有采用的用户提供超级计算机层级的性能水平。

最近出现的一个新名词——“集装箱”进一步丰富了高性能计算系统理念。这种解决方案的设计理念是根据需要精确地提供计算能力和存储空间。显然最终这将成为一种模块化统一解决方案，以“即插即用”的形式在短时间内增加超级计算机性能。唯一的问题是，如果集装箱是由卡车运输的话用户怎么办？

8、未来的发展趋势？

到2011年，劳伦斯利弗莫尔光电科学国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）将采用IBM开发的Sequoia系统，并从2012年开始运行这一系统。Sequoia配置了160万个Power处理器和1.6 PB的主内存容量，性能最高可以超过20 Pflops，将登上TOP500的榜首。从技术角度来看，这款系统是IBM BlueGene/P架构的进一步开发，将16核45纳米芯片技术与最新基于光纤通信的交换技术结合起来。BlueGene/P系统的耗电量为6 MW，能效为3000 MFflops/Watt，相当于BlueGene/P的7倍，基于Cell处理器的Roadrunner的5倍。

9、云计算

25年来Sun一直秉承“网络就是计算机”的原则。2009年云计算将让这一口号真正变成现实。6月23日即将在德国汉堡召开的International Supercomputing Conference ISC’09上，来自Googel、Amazon、Yahoo、微软、IBM、惠普和Sun的演讲者将共同探讨一个重要话题：“高性能计算&云计算——伙伴还是竞争对手？”在4个多小时的演讲中，这些专家将展示和探讨云计算是否将继续影响着IT基础架构设计和交付满足网络、业务、也别是高性能计算用户不同需求的方式。

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E3 1230 v2和i5 4460那个更好我玩LOL 配电脑的推荐我E3

没错。 E3-1230V2 肯定比 4460快，1230V2 在这样主板最高睿频可以到4.0G。

4460 才3.2 睿频3.4。 1230V2 3.3睿频3.7 用H77或Z77的可以再高0.3 为4.0G。而且是8M三级缓存，比i5 的缓存大2M，四核八线程。总体是i7 3770 和4770的水平。

但是主板比 i5 4460的主板老一代，但是如用的B85或H81主板就肯定CPU和主板都不在一个水平。

win10系统死机是什么原因吗

根据电脑死机发生时的情况可将其分为四大类：①开机过程中出现死机：在启动计算机时，只听到硬盘自检声而看不到屏幕显示，或干脆在开机自检时发出鸣叫声但计算机不工作、或在开机自检时出现错误提示等；②在启动计算机操作系统时发生死机：屏幕显示计算机自检通过，但在装入操作系统时，计算机出现死机的情况；③在使用一些应用程序过程中出现死机：计算机一直都运行良好，只在执行某些应用程序时出现死机的情况；④退出操作系统时出现死机：就是在退出Win98等系统或返回DOS状态时出现死机。由干在“死机”状态下无法用软件或工具对系统进行诊断，因而增加了故障排除的难度。死机的一般表现有：系统不能启动、显示黑屏、显示“凝固”、键盘不能输入、软件运行非正常中断等。死机的原因大概有千千万万种，但只有两个方面：一是由电脑硬件引起的，一是软件设计不完善或与系统和系统其它正在运行的程序发生冲突。在硬件方面，祸首就是近来在电脑DIY界流行的“超频’一—让CPU工作在额定运行频率以外的时钟频率上，CPU处于超额工作状态，出现死机就不奇怪了；其次一个原因是某个硬件过热，或者硬件资源冲突。当然还有其他一些硬件方面的原因。在软件方面，因为软件原因而造成的死机在电脑中几乎占了大多数（超频了的电脑除外）。在Windows9x系列中使用了16位和32位混合的内核模式，因此安全性很低，因程序内存冲突而死机是经常会发生的事情。下面就来介绍一下遇到死机故障后一般的检查处理方法。一、排除系统“假”死机现象1．首先排除因电源问题带来的“假”死机现象。应检查电脑电源是否插好，电源插座是否接触良好，主机、显示器以及打印机、扫描仪、外置式MODEM，音箱等主要外接电源的设备电源插头是否可靠地插入了电源插座、上述各部件的电源开关是否都处于开（ON）的状态。 2．检查电脑各部件间数据，控制连线是否连接正确和可靠，插头间是否有松动现象。尤其是主机与显示器的数据线连接不良常常造成“黑屏”的假死机现象。二、排除病毒感染引起的死机现象用无毒干净的系统盘引导系统，然后运行KILL，AV95、SCAN等防病毒软件的最新版本对硬盘进行检查，确保电脑安全，排除因病毒引起的死机现象。另外，如果在杀毒后引起了死机现象，这多半是因为病毒破坏了系统文件、应用程序及关键的数据文件，或是杀毒软件在消除病毒的同时对正常的文件进行了误操作，破坏了正常文件的结构。碰到这类问题，只能将被损坏（即运行时引起死机）的系统或软件重装。三、排除软件安装、配置问题引起的死机现象1．如果是在软件安装过程中死机，则可能是系统某些配置与安装的软件冲突。这些配置包括系统BIOS设置、和的设置、、的设置以及一些硬件驱动程序和内存驻留程序的设置。可以试着修改上述设置项。对BIOS可以取其默认设置，如“LOADSETUPDEFAULT”和“LOADBIOSDEFAULT”；对和则可以在启动时按F5跳过系统配置文件或按F8逐步选择执行以及逐项修改和中的配置（尤其是EMM386中关于EMS、XMS的配置情况）来判断硬件与安装程序什么地方发生了冲突，一些硬件驱动程序和内存驻留程序则可以通过不装载它们的方法来避免冲突。 2．如果是在软件安装后发生了死机，则是安装好的程序与系统发生冲突。一般的做法是恢复系统在安装前的各项配置，然后分析安装程序新装入部分使用的资源和可能发生的冲突，逐步排除故障原因。删除新安装程序也是解决冲突的方法之一。四、根据系统启动过程中的死机现象来分析系统启动过程中的死机现象包括两种情况：1．致命性死机，即系统自检过程未完成就死机，一般系统不给出提示。对此可以根据开机自检时致命性错误列表的情况，再结合其它方法对故障原因作进一步的分析。 2．非致命性死机，在自检过程中或自检完成后死机，但系统给出声音、文字等提示信息。可以根据开机自检时非致命性错误代码表和开机自检时鸣笛音响对应的错误代码表来检查；开机自检时鸣笛音响对应的错误代码表中所列的情况是对可能出现故障的部件作重点检查，但也不能忽略相关部件的检查，因为相当多的故障并不是由提示信息指出的部件直接引起，而常常由相关部件故障引发。五、排除因使用、维护不当引起的死机现象电脑在使用一段时间后也可能因为使用、维护不当而引起死机，尤其是长时间不使用电脑后常会出现此类故障。引起的原因有以下几种：1．积尘导致系统死机：灰尘是电脑的大敌。过多的灰尘附着在CPU、芯片、风扇的表面会导致这些元件散热不良，电路印刷板上的灰尘在潮湿的环境中常常导致短路。上述两种情况均会导致死机。具体处理方法可以用毛刷将灰尘扫去，或用棉签沾无水酒精清洗积尘元件。注意不要将毛刷和棉签的毛、棉留在电路板和元件上而成为新的死机故障源。 2．部件受潮：长时间不使用电脑，会导致部分元件受潮而不能正常使用。可用电吹风的低热挡均匀对受潮元件“烘干”。注意不可对元件一部分加热太久或温度太高，避免烤坏元件。 3．板卡、芯片引脚氧化导致接触不良：将板卡、芯片拔出，用橡皮擦轻轻擦拭引脚表面去除氧化物，重新插入插座。 4．板卡、外设接口松动导致死机：仔细检查各I/O插槽插接是否正确，各外设接口接触是否良好，线缆连接是否正常。六、排除因系统配置不当引起的死机现象系统配置与电脑硬件设备和系统BIOS、主板上跳线开关设置密切相关，常见的死机故障原因有：1．主频设置不当：此类故障主要有CPU主频跳线开关设置错误、Remark的CPU引起的BIOS设置与实际情况不符、超频使用CPU，或CPU性能不良死机。 2．内存条参数设置不当：此类故障主要有内存条设置错误和Remark内存条引起的BIOS设置与实际情况不符。 3．CACHE参数设置不当：此类故障主要有CHCHE设置错误、RemarkCACHE引起的BIOS设置与实际情况不符。 4．CMOS参数被破坏：频繁修改CMOS参数，或病毒对CMOS参数的破坏，常常会导致CMOS参数混乱而很难恢复。可以采用对CMOS放电的方法并采用系统BIOS默认设置值重新设定CMOS参数。 CMOS的放电方法可参照主板说明书进行。如果是病毒感染引起的，在重设CMOS参数后，还必须对硬盘杀毒。七、排除因硬件安装不当引起的死机现象硬件外设安装过程中的疏忽常常导致莫名其妙的死机，而且这一现象往往在电脑使用一段时间后才逐步显露出来，因而具有一定的迷惑性。 1．部件安装不到位、插接松动、连线不正确引起的死机，显示卡与I/0插槽接触不良常常引起显示方面的死机故障，如“黑屏”，内存条、CACHE与插槽插接松动则常常引起程序运行中死机、甚至系统不能启动，其它板卡与插槽（插座）的接触问题也常常引起各种死机现象。要排除这些故障，只须将相应板卡、芯片用手摁紧、或从插槽（插座）上拔下重新安装。如果有空闲插槽（插座），也可将该部件换一个插槽（插座）安装以解决接触问题。线缆连接不正确有时也会引发死机故障。 2．安装不当导致部件变形、损坏引起的死机口径不正确、长度不恰当的螺钉常常导致部件安装孔损坏，螺钉接触到部件内部电路引起短路导致死机，不规格的主板、零部件或不规范的安装步骤常常引起机箱、主板、板卡外形上的变异因而挤压该部件内部元件导致局部短路、内部元件损坏从而发生莫名其妙的死机。如果只是电脑部件外观变形，可以通过正确的安装方法和更换符合规格的零部件来解决；如果已经导致内部元件损坏，则只能更换新的零部件了。八、排除因硬件品质不良引起的死机现象一般说来，电脑产品都是国际大厂商按照国际标准流水线生产出来的，部件不良率是很低的。但是高利润的诱惑使许多非法厂商对电脑标准零部件改头换面、进行改频、重新标记（Remark）、以次充好甚至将废品、次品当作正品出售，导致这些“超水平”发挥的产品性能不稳定，环境略有不适或使用时间稍长就会频繁发生故障。尤其是CPU、内存条、主板等核心部件及其相关产品的品质不良，是导致无原因死机的主要故障源。应着重检查以下部件：1．CPUCPU是被假冒得最多也是极容易导致死机的部件。被Remark的CPU在低温、短时间使用时一切正常，但只要在连续高温的环境中长时间使用，其死机弊端就很容易暴露。使用Windows、3DS等对CPU特性要求较高的软件比DOS等简单软件更能发现CPU的问题。如需确认是否为此故确认是否为此故障可参照说明书将CPU主频跳低1到2个档次使用，比如将166降为150、133或120使用。如果死机现象大幅度减少或消失，就可以判断是CPU有问题。也可以用交换法，更换同型号的正常CPU，如果不再死机一般可以断定是CPU的问题。有些用户喜欢把CPU超频使用以获得高速的性能，这也是常导致计算机死机的原因。一般将CPU跳回原频率就能解决死机问题。 2．内存条内存条常常被做的手脚有：速度标记被更改，如：70ns被Remark为60ns，非奇偶校验冒充奇偶校验内存，非EDO内存冒充EDO内存，劣质内存条冒充好内存条。在BIOS中将内存条读写时间适当增加（如：从60ns升为70ns），如果死机消失可以断定是内存条速度问题。如果是内存本身的质量问题，只有更换新的内存条才能解决。 3．主板一般主板的故障常常是最先考虑然而却是要到最后才能确定的。除了印刷板上的飞线、断线和主板上元件被烧焦、主板受挤压变形、主板与机箱短路等明显的现象外，主板本身的故障只有在确认了主板上所有零部件正常（将你的板卡、CPU、内存条等配件拿到好的主板上使用正常，而别人使用正常的板卡、器件插到你的主板上就不能正常运行）时才能判断是否是主板故障，如果更换了好的同型号主板死机依然存在、则可能是该主板与某个零部件不兼容。要么更换兼容的其它型号的主板、要么只能用拔插法依次测试各板卡、芯片，找出不兼容的零部件更换之。 4．电源、风扇、机箱等劣质电源、电源线缆故障、电源插接松动、电源电压不稳都是引起不明原因死机的罪魁祸首。 CPU风扇、电源风扇转动不正常、风扇功率不足则会引起CPU和机箱内“产热大户”元件散热不良因而引起死机。九、系统黑屏故障的排除系统死机故障多半表现为黑屏（即显示器屏幕上无任何显示）、这类故障与显示器、显示卡关系很密切，同时系统主板、CPU、CACHE、内存条，电源等部件的故障也能导致黑屏。系统黑屏死机故障的一般检查方法如下：1．排除“假”黑屏：检查显示器电源插头是否插好，电源开关是否已打开，显示器与主机上显示卡的数据连线是否连接好、连接摇头是否松动，看是否是因为这些因素而引起的黑屏。另外，应该动一下鼠标或按一下键盘看屏幕是否恢复正常。因为黑屏也可能是因为设置了节能模式（可在BIOS设置中查看和修改）而出现的假死机。 2．在黑屏的同时系统其它部分是否工作正常，如：启动时软／硬盘驱动器自检是否通过、键盘按键是否有反应等。可以通过交换法用一台好的显示器接在主机上测试、如果只是显示器黑屏而其它部分正常，则只是显示器出了问题，这仍是一种假死机现象。 3．黑屏发生在系统开机自检期间，请参见第四步。 4．黑屏发生在显示驱动程序安装或显示模式设置期间，显然是选择了显示系统不能支持的模式，应选择一种较基本的显示方式。如：Windows下设置显示模式后黑屏或花屏，则应在DOS下运行Windows目录下的程序选择标准VGA显示方式。 5．检查显示卡与主板I/O插槽接触是否正常、可靠，必要时可以换一个I/O槽插入显示卡试试。 6．换一块已确认性能良好的同型号显示卡插入主机重新启动，若黑屏死机现象消除则是显示卡的问题。 7．换一块已确认性能良好的其它型号显示卡插入主机重新启动，若黑屏死机现象消除则是显示卡与主机不兼容，可以考虑更换显示卡或主板。 8．检查是否错误设置了系统的核心部件，如CPU的频率、内存条的读写时间、CACHE的刷新方式、主板的总线速率等，这些都可能导致黑屏死机。 9．检查主机内部各部件连线是否正确，有一些特殊的连线错误会导致黑屏死机。 10．请参见本文的其它步骡所列的死机故障诊断方法，这些故障导致的死机常常也伴随着黑屏。