高性能计算发展简史

　　高性能计算也称超级计算、HPC，本人在这个行业待了也有十年了，和热闹的手机、个人计算机行业相比，高性能计算是个冷僻的行业，长期以来远离公众视野，鲜为人知。只是这些年因为云计算、超级计算机时常出现在各种媒体上，才慢慢浮出水面。今天就和诸位来谈谈高性能计算的发展历史。

 

　　现在大家对高性能计算普遍的划代，旁支不算，大致分为这样四个阶段：向量机、SMP、MPP、集群。

　　上世纪七十年代，美国的克雷机开启了高性能计算的先河。这是那个时代的超级计算机，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。到了八十年代，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，曾经在北京的军事博物馆展出过，不知道现在还在不在。

　　向量机虽然计算性能强大，但是它的缺点也十分明显，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，也只有政府和大公司这种不在乎成本的部门才用得起，很难做到普及。这个缺点严重制约了向量机的发展。所以当时有人为了降低成本，把目标转向通用的软硬件设备，于是SMP就此诞生。

　　SMP中文翻译是”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。我们现在的手机、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。

　　由于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，所以当年很多个人电脑厂商也生产SMP架构的服务器，比如当年Compaq、HP、IBM一众行业大佬，都是生产SMP服务器的主力军。

　　SMP架构通过增加处理器数量，结合软件提升计算性能，但是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，限制了性能发挥，属于“并行计算+串行IO”方案，而且SMP架构能够增加的处理器数量十分有限，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中文名称是”大规模并行处理”。这种架构相比SMP，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（Share Nothing）。MPP一般都是IT巨头的定制机，它的硬件代表是刀片机，软件代表是分布式数据库，比如GreenPlum、Teradata都属于MPP架构。

　　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。

　　但是人们对高性能计算的追求是无止境的，为了获得更强大的计算效果，我们现在实际上已经来到了第四个阶段：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。它除了继续沿用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，最典型的就是云计算。它面向商业用户，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。据我所知，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。

　　在这方面，LAXCUS集群操作系统无疑是走在了前面，它属于原生的分布式操作系统，完全基于集群架构和云环境设计，支持超大规模的分布存储和分布计算。说几个硬件指标，大家感受一下。

1. 集成了云端所有刚需：虚拟化、安全管理、大数据、数据库、人工智能、应用容器、分布式应用软件。
2. 对于分布式处理，能够云端、边缘端、终端一体化分布协同，无缝对接。
3. 对于节点的支持，可以是几台服务器到几十万台服务器。
4. 对于在线的用户人数，可以是几个人到几千万人在线。
5. 对于数据处理，支持OLAP、OLTP、SQL，数据可以从几个G到EB级别。
6. 对于应用软件，可以是几个软件到几百万个应用软件在云端运行。
7. 对于应用开发，提供人工智能接口、大数据接口、分布式编程接口。开发者可以象开发单机软件一样开发分布式软件。

　　最后说几句，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。

　　前方道路依然漫长，在此与各位共勉！

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