浅述高性能计算的不同实现方法

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当前，随着科学技术的进步和IT硬件产品价格的迅速下降，要想实现过去不敢想象的高性能计算已经不是什么很困难的事情了。

从google和百度的海量计算搜索到我国载人航天技术的精准，从大型网络游戏的普及到前段浪潮“人机大战”的上演，这一切都说明，我们正在迎来一个高性能计算的时代。

说到真正的高性能计算，就不得不谈谈当前的几种计算机技术。

多核与多路服务器技术

首先是多核与多路服务器技术，由于双核与多核技术在最近两年发展的很快，据厂商Intel和AMD的官方透露，明年四核处理器肯定会上市。而现在的IBM和Sun早已经捷足先登，有了4核和8核的处理器产品，可见，技术已经没有什么问题了。所以，这一颗芯多核的道路已经是非常得清晰了，多路似乎因为占用的空间相比来说大一些而会变得越来越微妙。因为完全将双路或者四路淘汰出市场似乎也不太可能，但是，当四核处理器出现的时候，恐怕对8路可能是个不小的冲击，因为低端的SMP就已经可以达到16个处理器。

上面是说多核技术的发展对产品应用趋势的影响，其次是刀片服务器。由于多核的技术也可以应用到刀片服务器里面，所以，未来的刀片技术也会有更加新的改进，而其密度则会越来越高。这种情形会不会让刀片成为未来高性能计算的主导呢，我们一会从技术方面来分析。

集群技术

还有就是集群，因为我们谈到高性能计算，其实无非就是对称多处理技术(SMP)和集群(Cluster)技术，刀片目前应用最多的似乎还是在IDC这样计算密集而又对空间要求苛刻的环境下。

说起集群，其实它跟SMP有很多联系，我们为此制作了一张图表，由此可以看出他们之间的区别和应用的范围。也就延伸出集群的几种不同方式。

我们先来解释一下这个图:这个图左边的横坐标表示的是CPU个数的增加，也就是SMP用个数来衡量。下面的纵坐标是服务器个数的增加，也就是服务器集群节点数量。这样就产生了几种实现高性能计算的不同方式:

在左下角黄色区域的标示的是用2到4个CPU组成的小型服务器的集群，这种机器应该说现在比较常见了，市面上的双路双核和四路单核都属于这种服务器。虽然它比通常的服务器性能好要一些，但是在高性能计算中，显然配置是简陋了些，因为这种机器的性能一般，可靠性和安全性也远远逊色于大型机，属于绝对的低端产品。其计算能力非常有限，一般都是将多台这样的产品通过高速的网络连在一起，进行并行或者分布式运算。

往上面看蓝色区域标识的就是由8到16个CPU所组成的中型SMP服务器。显然其计算能力有了很大的提高，更加关键的是可靠性提高了不少。这种服务器，一般都用于大型的商业计算应用或者科学计算，其内部的硬件的可靠性很高，基本上都有冗余措施。可扩展性也比较好，经常采用机架式安装。

再往上的红色方块是大型的SMP或者叫NUMA机，它们的CPU数量一般超过了64个，它一般都在大型的机房中才能看到。除了上面说的硬件的各种优异性能外，操作系统软件也是经过特殊优化的。这主要是当处理器的数量很大的时候，处理器之间对总线的要求也会提高，使得总带宽不够，整体性能会下降。所以软件要对系统进行优化。

当然，更通常的做法是采用NUMA技术。这里简单解释一下NUMA技术，它主要是为了克服SMP在数量扩展上面带来的整体效率降低的问题而采用的一种技术。简单得说就是将几个处理器组成一个单元(这里的术语叫簇)，比如是四个CPU，让这四CPU共享独立的本地内存、I/O槽口等。这样，簇与簇之间也有信息交换，但是簇内的CPU与外界的交换要少很多，这样对整体SMP的扩展提高了很多。当然，由于访问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当CPU数量增加得很多时，系统性能无法线性增加。

下面我们就来介绍由这些机器组成的集群。

第一种就是由PC机或者小型服务器组成的集群产品，或者是刀片服务器。它主要是将零散的小型服务器通过高速的网络链接起来，有时候可能就是10/100M的以太网。这种一般小型企业或者个人都可以做，我们也很少将其称为集群，相比之下功能较原来的单一服务器有所提高，但是如果运行大型的商业处理业务，还是不能满足性能和稳定性的苛刻条件。

相比之下刀片服务器要好一些，首先是结构紧凑，节省了很多空间。使得管理也要方便了许多。一般，厂家的刀片服务器产品中都有自己的管理系统，从IP的划分到各种服务器和操作系统的兼容，性能要比前一种好很多。不好的地方是密度集中的刀片对电力的消耗是个大问题，另外对散热也是一个挑战，所以刀片的数量如果过多也成问题。

下面是将中型的SMP组成集群，每个集群节点的性能和稳定性都比较好，对于中型的商业计算应用或者大型的科学研究以及石油气象等部门的应用都可以胜任。目前，国内很多大型计算的集群都属于这一类。

再往上就是利用NUMA机来做集群，在国外它也叫做哥伦比亚系统，其CPU数量要远远超过我们的想象。

最后一种是IBM的特殊技术，蓝色基因，这种集群在欧洲和美国有成熟的应用，比如美国的宇航局(NASA)，但是由于技术原因，还没有引入到中国来。

以上介绍的就是实现高性能服务器的几种途径，当然这只是简单的集群连接形态介绍，具体的硬件构架要通过很严格的设计，包括软件的设计和分布式以及并行计算应用程序的优化设计，这里也就不细说了。(天极网)