高性能/并行/網(wǎng)格計(jì)算知識(shí)介紹

簡(jiǎn)單的說，高性能計(jì)算(High Performance Computing)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支,主要是指從體系結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件開發(fā)等方面研究開發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度不斷提高，其標(biāo)準(zhǔn)也處在不斷變化之中。

目前，高性能計(jì)算機(jī)的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要以計(jì)算速度(尤其是浮點(diǎn)運(yùn)算速度)作為標(biāo)準(zhǔn)。高性能計(jì)算機(jī)是信息領(lǐng)域的前沿高技術(shù)，在保障國(guó)家安全、推動(dòng)國(guó)防科技進(jìn)步、促進(jìn)尖端武器發(fā)展方面具有直接推動(dòng)作用，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。隨著信息化社會(huì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)信息處理能力的要求越來越高，不僅石油勘探、氣象預(yù)報(bào)、航天國(guó)防、科學(xué)研究等需求高性能計(jì)算機(jī)，而金融、政府信息化、教育、企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)游戲等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算的需求迅猛增長(zhǎng)。 并行計(jì)算(Parallel Computing)是指同時(shí)使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同合作解決計(jì)算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計(jì)算問題。

    圖1：計(jì)算原理

    并行計(jì)算是相對(duì)于串行計(jì)算——即在單個(gè)計(jì)算機(jī)(具有單個(gè)中央處理單元)上執(zhí)行的操作，所提出的。具體的說，并行計(jì)算是在多臺(tái)(并行)計(jì)算機(jī)上將一個(gè)應(yīng)用任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，分配給不同的處理器，各個(gè)處理器之間相互協(xié)同，同時(shí)執(zhí)行子任務(wù)的過程。并行計(jì)算可分為時(shí)間上的并行和空間上的并行。時(shí)間上的并行就是指流水線技術(shù)，而空間上的并行則是指用多個(gè)處理器并發(fā)的執(zhí)行計(jì)算。為執(zhí)行并行計(jì)算，計(jì)算資源應(yīng)包括一臺(tái)配有多處理(或并行處理)機(jī)的計(jì)算機(jī)和一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)相連的計(jì)算機(jī)專有編號(hào)。

    圖2：(a)SIMD類型 (b)MIMD類型

   目前，對(duì)于并行計(jì)算的研究主要集中在空間上的并行問題上?？臻g上的并行導(dǎo)致了兩類并行機(jī)的產(chǎn)生，即單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)和多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)。類似地，我們常用的串行機(jī)有時(shí)也被稱為單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)。在1972年誕生的第一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)ILLIAC IV就屬于SIMD類型機(jī)器。而自上個(gè)世紀(jì)八十年代以來，都是以MIMD并行計(jì)算機(jī)的研制為主。常見的MIMD類的機(jī)器可分：并行向量處理機(jī)(PVP)、對(duì)稱多處理機(jī)(SMP)、大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)、工作站機(jī)群(COW)、分布式共享存儲(chǔ)處理機(jī)(DSM)等五類。并行計(jì)算機(jī)主要有以下四種訪存模型：
    均勻訪存模型(UMA)
    非均勻訪存模型(NUMA)
    全高速緩存訪存模型(COMA)
    一致性高速緩存非均勻存儲(chǔ)訪問模型(CC-NUMA)和非遠(yuǎn)程存儲(chǔ)訪問模型(NORMA)。

    常見的基本并行算法有：劃分法(partitioning)、分治法(divide-and-conquer)、流水線方法(pipelining)、隨機(jī)法(randomization)、平衡樹法(balanced-tree)、倍增發(fā)(doubling)、迭代法(iteration)等。

    在當(dāng)前并行計(jì)算機(jī)上，比較流行的并行編成環(huán)境可以分為三類：消息傳遞、共享存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)并行。消息傳遞的典型代表是MPI，它是基于大粒度的進(jìn)程級(jí)并行，具有最好的可移植性，幾乎被當(dāng)前流行的各類并行計(jì)算機(jī)所支持，且具有很好的可擴(kuò)展性；共享存儲(chǔ)的典型代表是OpenMP，它主要應(yīng)用于SMP、DSM類的并行計(jì)算機(jī)上，可擴(kuò)展性不如消息傳遞并行編程，不過這種方法并行編程難度較??；數(shù)據(jù)并行的典型代表是HPF，主要被SMP、DSM和 MPP類型的并行計(jì)算機(jī)支持，它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式是共享存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)分配方式屬于半隱式，可擴(kuò)展性介于前兩種之間。 

網(wǎng)格是一種新興的技術(shù)，是繼Internet和Web之后的第三次信息技術(shù)浪潮。學(xué)術(shù)界針對(duì)網(wǎng)格開展了很多研究，商業(yè)界也開始提供面向網(wǎng)格的服務(wù)。
       網(wǎng)格利用互聯(lián)網(wǎng)把地理上廣泛分布的各種資源(包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源等)連成一個(gè)邏輯整體，為用戶提供一體化信息服務(wù)。在這個(gè)虛擬環(huán)境下，各個(gè)虛擬組織進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作，最充分的實(shí)現(xiàn)資源共享。 #p#page_title#e#

        計(jì)算化學(xué)(Computational Chemistry)是在計(jì)算機(jī)的幫助下求解化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域問題的交叉學(xué)科，計(jì)算化學(xué)家依據(jù)化學(xué)理論編制出計(jì)算機(jī)程序用于計(jì)算化學(xué)分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，模擬生物大分子的變化和狀態(tài)，模擬超分子材料、納米材料的變化過程和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。計(jì)算化學(xué)主要包括基于量子理論的量子化學(xué)(Quantum Chemistry)、用于研究分子反應(yīng)過程機(jī)理、基于分子力學(xué)理論的分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics)、基于統(tǒng)計(jì)物理理論的、在大分子體系模擬中得到廣泛應(yīng)用的分子模擬(Molecular Simulation)技術(shù)及分子建模(Molecular Modeling)等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展和帶動(dòng)，計(jì)算化學(xué)快速成長(zhǎng)，計(jì)算化學(xué)手段和成果被廣泛地應(yīng)用于與國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的領(lǐng)域，如化工生產(chǎn)、藥物設(shè)計(jì)、新藥研制等。許多化學(xué)現(xiàn)象在計(jì)算的幫助下獲得了成功解釋，甚至于實(shí)驗(yàn)科學(xué)中的某些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)也得到了糾正。同時(shí)，科學(xué)家依據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得了具有預(yù)期功能的新型材料和高效藥物，在科學(xué)研究和社會(huì)效益兩方面均取得了巨大成功。
        為促進(jìn)中科院以及我國(guó)計(jì)算化學(xué)發(fā)展和科研力量整合，在2004年依托于我單位成立了“計(jì)算化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室”(Virtual Laboratory for Computational Chemistry，簡(jiǎn)稱VLCC)，它集合了國(guó)內(nèi)外華人計(jì)算化學(xué)界的精英?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外成員單位三十多個(gè)，涵蓋了國(guó)內(nèi)計(jì)算化學(xué)研究的最高水平。該實(shí)驗(yàn)室是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型科學(xué)研究虛擬組織，為從事計(jì)算化學(xué)研究的科研人員提供了集科學(xué)計(jì)算研究、軟件開發(fā)、學(xué)術(shù)交流和技術(shù)培訓(xùn)于一體的科研工作平臺(tái)，自成立以來共組織了5次學(xué)術(shù)或?qū)＜視?huì)議以及軟件技術(shù)培訓(xùn)等活動(dòng)，在推進(jìn)中國(guó)計(jì)算化學(xué)發(fā)展中發(fā)揮了中堅(jiān)作用。

原文：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b700c4c0100ibg0.html