高性能/并行/網(wǎng)格計算知識介紹

簡單的說，高性能計算(High Performance Computing)是計算機科學的一個分支,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)高性能計算機的技術(shù)。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能計算機的計算速度不斷提高，其標準也處在不斷變化之中。

目前，高性能計算機的衡量標準主要以計算速度(尤其是浮點運算速度)作為標準。高性能計算機是信息領(lǐng)域的前沿高技術(shù)，在保障國家安全、推動國防科技進步、促進尖端武器發(fā)展方面具有直接推動作用，是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。隨著信息化社會的飛速發(fā)展，人類對信息處理能力的要求越來越高，不僅石油勘探、氣象預(yù)報、航天國防、科學研究等需求高性能計算機，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咝阅苡嬎愕男枨笱该驮鲩L。 并行計算(Parallel Computing)是指同時使用多臺計算機協(xié)同合作解決計算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計算問題。

    圖1：計算原理

    并行計算是相對于串行計算——即在單個計算機(具有單個中央處理單元)上執(zhí)行的操作，所提出的。具體的說，并行計算是在多臺(并行)計算機上將一個應(yīng)用任務(wù)分解成多個子任務(wù)，分配給不同的處理器，各個處理器之間相互協(xié)同，同時執(zhí)行子任務(wù)的過程。并行計算可分為時間上的并行和空間上的并行。時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處理器并發(fā)的執(zhí)行計算。為執(zhí)行并行計算，計算資源應(yīng)包括一臺配有多處理(或并行處理)機的計算機和一個與網(wǎng)絡(luò)相連的計算機專有編號。

    圖2：(a)SIMD類型 (b)MIMD類型

   目前，對于并行計算的研究主要集中在空間上的并行問題上。空間上的并行導(dǎo)致了兩類并行機的產(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，我們常用的串行機有時也被稱為單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)。在1972年誕生的第一臺并行計算機ILLIAC IV就屬于SIMD類型機器。而自上個世紀八十年代以來，都是以MIMD并行計算機的研制為主。常見的MIMD類的機器可分：并行向量處理機(PVP)、對稱多處理機(SMP)、大規(guī)模并行處理機(MPP)、工作站機群(COW)、分布式共享存儲處理機(DSM)等五類。并行計算機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訪問模型(CC-NUMA)和非遠程存儲訪問模型(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)、隨機法(randomization)、平衡樹法(balanced-tree)、倍增發(fā)(doubling)、迭代法(iteration)等。

    在當前并行計算機上，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程級并行，具有最好的可移植性，幾乎被當前流行的各類并行計算機所支持，且具有很好的可擴展性；共享存儲的典型代表是OpenMP，它主要應(yīng)用于SMP、DSM類的并行計算機上，可擴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類型的并行計算機支持，它的數(shù)據(jù)存儲模式是共享存儲，對數(shù)據(jù)分配方式屬于半隱式，可擴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。學術(shù)界針對網(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(包括計算資源、存儲資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源等)連成一個邏輯整體，為用戶提供一體化信息服務(wù)。在這個虛擬環(huán)境下，各個虛擬組織進行資源共享和協(xié)同工作，最充分的實現(xiàn)資源共享。 #p#page_title#e#

        計算化學(Computational Chemistry)是在計算機的幫助下求解化學及相關(guān)領(lǐng)域問題的交叉學科，計算化學家依據(jù)化學理論編制出計算機程序用于計算化學分子結(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)。計算化學主要包括基于量子理論的量子化學(Quantum Chemistry)、用于研究分子反應(yīng)過程機理、基于分子力學理論的分子動力學(Molecular Dynamics)、基于統(tǒng)計物理理論的、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。隨著計算機硬件的飛速發(fā)展和帶動，計算化學快速成長，計算化學手段和成果被廣泛地應(yīng)用于與國民經(jīng)濟相關(guān)的領(lǐng)域，如化工生產(chǎn)、藥物設(shè)計、新藥研制等。許多化學現(xiàn)象在計算的幫助下獲得了成功解釋，甚至于實驗科學中的某些錯誤認識也得到了糾正。同時，科學家依據(jù)計算結(jié)果獲得了具有預(yù)期功能的新型材料和高效藥物，在科學研究和社會效益兩方面均取得了巨大成功。
        為促進中科院以及我國計算化學發(fā)展和科研力量整合，在2004年依托于我單位成立了“計算化學虛擬實驗室”(Virtual Laboratory for Computational Chemistry，簡稱VLCC)，它集合了國內(nèi)外華人計算化學界的精英?，F(xiàn)有國內(nèi)外成員單位三十多個，涵蓋了國內(nèi)計算化學研究的最高水平。該實驗室是基于現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型科學研究虛擬組織，為從事計算化學研究的科研人員提供了集科學計算研究、軟件開發(fā)、學術(shù)交流和技術(shù)培訓(xùn)于一體的科研工作平臺，自成立以來共組織了5次學術(shù)或?qū)＜視h以及軟件技術(shù)培訓(xùn)等活動，在推進中國計算化學發(fā)展中發(fā)揮了中堅作用。

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