高性能计算的过去、现在和未来∗
安竹林刘晓平
一、 史前时代
自从1946年ENIAC（E lectronic N umerical I ntegrator A nd C omputer）在美国宾夕法尼亚大学的摩尔电子工程学院（Moore School of Electrical Engineering，University of Pennsylvania）诞生起，人类对高性能计算的追求就一直没有停止过。ENIAC是第一台真正意义上的电子计算机，使用电子管和继电器存储器，但却不具有“存储程序”（Stored Program）体系结构。由ENIAC的发明人普雷斯伯·埃克特（J. Presper Eckert）和约翰·莫契利（John William Mauchly）研制的UNIV AC I（UNIV ersal A utomatic C omputer I）被认为是第一台商业化的计算机，成为电子管计算机走向成熟的标志。UNIV AC于1951年6月14日正式移交给美国人口统计局（U.S. Bureau of Census）使用，这标志着人类社会从此进入了计算机时代，电脑最终走出了科学家的实验室，直接为大众事业服务。 ENIAC UNIV AC
正当电子管计算机横行于世的时候，晶体管已经在贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）悄然诞生了。晶体管不仅能替代电子管整流、检波和放大，而且比电子管体积小、寿命长、不发热、耗电省，计算机世界的第一场革命就这样爆发了。1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADIC（TRA nisitor DI gital C omputer）。而麻省理工大学林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）于次年研制成功的TX-0（T ransistorized E x perimental computer zero）是第一台通用的全晶体计算机，它接替了ENIAC成为当时最快的计算机。
∗本文的所有图片均引自互联网，其所有权归其各自的所有者；部分资料翻译自全书
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TRADIC TX-0
1951年，雷明顿•兰德（Remington Rand）公司首次在世界上出售商业计算机UNIV AC I，许多公司相继涉足商业计算机领域，包括后来的蓝巨人IBM。几年后，美国加州大学辐射实验室（University of California Radiation Laboratory）的“之父”爱德华·特勒（Edward Teller）博士提出建造一台进行三维水利计算的计算机的计划，他给这台计算机起名LARC （L ivermore A utomatic R eaction C alculator）。雷明顿•兰德和IBM都希望使用大约250万美元建造一台计算能力为1-2 MPIS（M illion I nstructions P er S econd）的超级计算机。IBM的波基普西工程实验室（Poughkeepsie Engineering Laboratory）负责这项任务，正当准备提交自己的提案的时候，实验室主任拉尔夫·帕尔默（Ralph Palmer）的阻止了这项提案。原因是提案中建议使用点触式晶体管（Point Contact Transistor）或者表面势垒晶体管（Surface Barrier Transistor），而不是新发明的扩散晶体管（Diffusion Transistor）。于是，他们修改了计划希望加州大学辐射实验室能够接受再添加100万美元，再宽限一年的条件，建造一台10 MPIS的机器。加州大学辐射实验室没有同意，而接受了UNIV AC公司（由雷明顿•兰德公司商业计算机部重组建立的公司）的计划。1955年，IBM担心美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（L os A lamos N ational L aboratory，LANL）定购UNIV AC公司正在研制的LARC计算机，而修改了先前的提案向LANL提出了一项制造一台速度是“IBM 704”100倍（约为4 MIPS）的高性能计算机的预案。1956年，IBM与LANL正式签订合同启动名为“Stretch”的计划，预定于1960年提交名为IBM 7030的超级计算机。 1960年UNIV AC公司的LARC交货，这台计算机包含两个CPU（当时称作Computer）和一个输入输出处理器（当时称作Processor），速度达到500k FLOPS（FL oating point O perations P er S econd），成为当时世界上最快的计算机。
婚恋问题
1961年IBM向LANL提交了IBM 7030。尽管比预订的交货时间晚了一年，IBM 7030却还是没有达到当时预定的“IBM 704”100倍的计算速度，只有30倍左右，IBM将其定价为778百万美元，IBM 7030共生产了5台，造成2000多万美元亏损。IBM的“Stretch”项目失败了，但是IBM 7030仍然取代了LARC成为当时世界上最快的计算机，并保持了3年之久。
LARC Stretch 7030
1957年，威廉•诺瑞斯（William Norris）带着雷明顿•兰德公司的一批工程师出走自立门户，成立了控制数据公司（C ontrol D ata C orporation，CDC）。三年后，控制数据公司接受美国原子能委员会的委托，涉足万难之险的超级计算机领域。CDC公司的总设计师，是被誉为超级计算机之父的西蒙•克雷（Seymour Cray）博士，接下来几十年超级计算机的发展都与克雷有着紧密的联系。当时克雷年仅31岁，曾经是UNIV AC设计小组的成员。他是一位性格内向的“隐士”般人物，念念不忘的是建造心目中
的巨型机，甚至想“隐退”回家去独自研究。诺瑞斯慷慨地满足了克雷的愿望，在克雷的家乡为他建立了一个实验室。克雷带领他的研究小组，远远避开“人世”。小组仅有34人，包括克雷本人在内。1963年8月，克雷终于复出，把名为CDC 6600超级计算机公布于世。CDC 6600是世界上公认的第一台商业超级计算机，它仍属于第二代电脑，共安装了35万个晶体管。CDC6600是一台标量计算机，但却使用了一个中央处理器（C entral P rocessor，CP）和多个外围处理器（P eripheral P rocessor，PP）的结构，同时在引入了多重算术部件，提高其并行性。CDC 6600和10倍于它的计算速度的升级产品CDC 7600统治了世界高性能计算十年之久。
FIKFAP
CDC 6600 CDC 7600
亿目CDC 6600取得成功的一个重要的原因是使用了指令流水线（Instruction Pipeline）。指令流水线是由重叠（Overlap）发展而来的。通常，CPU执行一条指令的过程分为三步，从内存中取指令，分析这条指令，然后执行。CPU每一步的时候，其它的部分的功能处于闲置状态。如果能够将这些步骤重叠起来，比如说在分析一条指令的同时将下一条指令取出，则会的提高CPU的效率。而流水线是对重叠的引申，它将CPU执行较复杂一条指令的处理过程分成更对复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个于过程由一个独立的功能部件来完成，处理对象在各子过程连成的线路上连续流动。在同一时间，多个部件同时进行不同的操作，完成对不同子过程的处理。 保罗 沃克尔二、 向量机时代
二十世纪七十初，克雷开始研制CDC 7600的后继产品CDC 8600。CDC 8600由4台CDC 7600组成，采用了一种通过锁步（lock-step）进行同步的单指令流多数据流（S ingle I nstruction stream M ultiple D ata stream，SIMD）模式。克雷希望CDC 8600能够达到10倍于CDC 7600的速度而占领高性能计算市场。与此同时，CDC 6600的系统设计师吉姆•桑顿（Jim Thornton）开始了名为CDC STAR-100的项目，CDC STAR-100使用与CDC 8600不同的技术，在CDC 6600/7600结构的基础上添加了向量处理指令，以提高对于数学计算任务的计算能力。到了1972年，CDC 8600的研制进入了死胡同，过度复杂的系统结构导致其不能正常运行，克雷希望诺瑞斯能够增加研制费用对CDC 8600进行重新设计，但是当时CDC公司正面临财政危机，同时CDC STAR-100项目似乎更有市场，诺瑞斯拒绝了克雷的提案，CDC 8600的研制于1974年中止。就在同一年，CDC STAR-100上市了，CDC STAR-100是首先使用向量处理器（Vector Processor）的计算机。STAR-100上市后尽管性能超过CDC 7600，但却比期望值差很多，由于当时只有很少的程序能够通过一系列简单的指令而向量化执行，因此导致STAR-100性能直线下降。STAR-100的失败导致了桑顿的失业和CDC公司最终退出了超级计算机市场。
STAR-100 Cyber 205
尽管STAR-100失败了，但是其存在的许多问题都是可以解决的，十九世纪八十年代初，CDC解决了STAR-100存在的问题，并且凭借Cyber-203又重新回到了高性能计算市场。稍后推出的改进版本Cyber-205提供了一条向量流水线到四条向量流水线的四种版本，因此在各个领域得到广泛的好评，并且在十九世纪八十年代初成为世界上最快的计算机。
CDC STAR-100被认为是第一台向量机，但是对向量机的探索早在十九世纪六十年代就已经开始了。
当时，计算机的设计进入了收益递减阶段，可以通过向硬件添加更多的指令的方式提高计算机的性能，但是代价却是相当大的。事实上，添加硬件会潜在的降低计算速度，这是因为系统的最快计算速度是由硬件的信号时序（signal timing）决定的，而信号时序是与系统的规模相关的。当时的硬件设计技术是使用晶体管构造逻辑电路，因此，逻辑处理规模的增大会导致机器规模的增大。CPU的速度的提高似乎遇到了瓶颈。
这一问题可以从时间上和从空间上分别解决。从时间上解决的方案是前面我们提到的CDC 6600所使用的指令流水线，指令流水线是克雷设计的高性能计算机的一个重要特征。而从空间上的解决方案是处理器阵列（Processor Array），通过重复设置大量相同的处理单元（P rocessing E lement，PE），将它们按一定方式互连成阵列，在单一控制单元（C ontrol U nit，
CU）控制下，对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作。处理单元PE是不带指令控制部件的算术逻辑运算部件，使用按地址访问的随机存贮器。
威斯丁豪斯电力公司（Westinghouse Electric Corporation）首次在其Solomon项目中对上述后一种解决方案进行了探索。他们认为，高性能计算机的主要用途是科学与工程中的数学计算问题，所以他们只关注于提高高性能计算机对数学计算问题的处理能力。他们设计了一个系统，该系统由一个主CPU（即CU）和大量的PE构成。CU处理指令流，PE在CU的时钟控制下对不同的数据施加相同的指令，
这使Solomon计算机可以在大量的数据集上运行单一的算法。遗憾的是随着合同的中止，Solomon项目也在开发出一个原型系统之后被取消了。
不久，Solomon项目的一个主要参与者丹尼尔•斯劳尼克（Daniel Slotnick）来到了伊利诺斯州立大学（University of Illinois），成功的说服学校继续该项目。1964年，该校与美国国防部高级研究计划局（D efense A dvanced R esearch P rojects A gency，DARPA）签订合同，在以前项目的基础上研制名为ILLIAC IV的高性能计算机，新的项目得到了许多公司的合作支持。
ILLIAC IV最初的设计目标是具有1GFLOPS的浮点计算能力。以Solomon的体系结构，需要由4个CU驱动的256个时钟频率为13MHz的PE。PE具有2048 Word的内存，CU可以访问全部CE的内存，但每个PE只能访问属于自己的内存。PE有6个通用寄存器，但可以通过一个特殊寄存器与相邻的8个PE传递数据。
由于技术和资金的限制，ILLIAC IV的设计目标一减再减，1972年设计完成时，浮点计算能力已从当时的目标1GFLOPS减为150MFLOPS。但是凭着对于并行化问题的求解速度，ILLAC IV仍然成为了当时世界上最快的计算机，速度是CDC 7600的2-6倍。尽管ILLIAC IV并不是一款成功的计算机，但是其提出的新的体系结构推动了对并行计算机的研究，ILLIAC IV被认为是大规模并行处理（M assively P arallel P rocessing, MPP）计算机的鼻祖。卫星电视接收卡
ILLIAC IV在1972年设计完成时，其可操作性极差，直到1976年才得到全面的应用。就在这一年第一台“克雷1号”（Cray-1）交货了，尽管Cray-1的计算能力比ILLIAC IV略差，但其影响却比ILLIAC IV深远的多。
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ILLIAC IV Cray-1
1972年，由于CDC 8600项目的失败，克雷告别CDC公司，独创一家以自己名字命名的“克雷研究公司”（Cray Research），专攻超级计算机。这时革命性的集成电路（Integrated Circuit，IC）早已经出现了，使用集成电路的小型机PDP-8获得了广泛的成功。克雷也第一次用上集成电路。1975年享誉全球的超级计算机“克雷1号”（Cray-1）完成，实现了当时绝无仅有的超高速——可持续保持每秒1亿次运算，然而体积却并不巨大，就像一套开口的沙发圈椅，靠背处立着12个一人高的“大衣橱”，占地不到7平方米，重量不超过5吨，共
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