巨型机（超大型电子计算机）
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更新时间：2023-05-18
巨型机
超大型电子计算机
巨型机（巨型计算机，supercomputer）是一种超大型电子计算机。
产品简介
具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。
应用
研究投入
对巨型计算机的指标一些国家这样规定：首先，计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位以上。如我国研制成功的"银河"计算机，就属于巨型计算机。巨型计算机的发展是电子计算机的一个重要发展方向。它的研制水平标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度，体现着国家经济发展的实力。一些发达国家正在投入大量资金和人力、物力，研制运算速度达几百亿次的超级大型计算机。
功能
在一定时期内速度最快、性能最高、体积最大、耗资最多的计算机系统。巨型计算机是一个相对的概念，一个时期内的巨型机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的巨型机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的巨型计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。
据统计，计算机的性能与使用价值的平方成正比，即所谓平方律。按照这一统计规律，计算机性能越高，相对价格越便宜。因此，随着大型科学工程对计算机性能要求的日益提高，超高性能的巨型计算机将获得越来越大的经济效益。
组成
巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存贮器构成。由于巨型机加工数据的吞吐量很大，只有主存是不够的，一般有半导体快速扩充存贮器和海量（磁盘）存贮子系统来支持。对大规模数据处理系统的用户，常需大型联机磁带子系统或光盘子系统作为大量信息数据进/出的媒介，。巨型机主机一般不直接管理慢速的输入/输出（I/O）设备，而是通过I/O接口通道联结前端机，由前端机做I/O的工作，包括用户程序和数据的准备、运算结果的打印与绘图输出等。前端机一般用小型机。I/O的另一种途径是通过网络，网上的用户借助其端机（微机、工作站、小型大型机）通过网来使用巨型机，I/O均由用户端机来做。网络方式可大大提高巨型机的利用率。
巨型计算机的速度
它每秒钟1206万亿次的峰值速度，和每秒563.1万亿次的Linpack实测性能，使这台名为“天河一号”的计算机位居同日公布的中国超级计算机前100强之首，也使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家。
历代名称：神威、银河、曙光、天河。
发展概况
成熟阶段
现代巨型机经历了三个发展阶段。第一阶段有美国ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型机。ILLIAC－Ⅳ机是一台采用64个处理单元在统一控制下进行处理的阵列机，后两台都是采用向量流水处理的向量计算机。1976年研制成功的CRAY-1机标志着现代巨型机进入第二阶段。这台计算机设有向量、标量、地址等通用寄存器，有12个运算流水部件，指令控制和数据存取也都流水线化；机器主频达80兆赫，每秒可获得8000万个浮点结果；主存储器容量为100～400万字(每字64位)，外存储器容量达109～1011字；主机柜呈圆柱形，功耗达数百千瓦；采用氟里昂冷却。图中为这种机器的逻辑结构。中国的“银河“亿次级巨型计算机（1983年）也是多通用寄存器、全流水线化的巨型机。运算流水部件有18个，采用双向量阵列结构，主存储器容量为200～400万字(每字64位)，并配有磁盘海量存储器。这些巨型机的系统结构都属于单指令流多数据流(SIMD)结构。80年代以来，采用多处理机（多指令流多数据流MIMD）结构、多向量阵列结构等技术的第三阶段的更高性能巨型机相继问世。例如，美国的CRAY-XMP、CDCCYBER205，日本的S810/10和20、VP/100和200、S×1和S×2等巨型机，均采用超高速门阵列芯片烧结到多层陶瓷片上的微组装工艺，主频高达50～160兆赫以上，最高速度有的可达每秒5～10亿个浮点结果，主存储器容量为400～3200万字（每字64位），外存储器容量达1012字以上。
巨型机技术
并行处理是巨型机技术的基础。为提高系统性能，现代巨型机都在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并行处理的技术。
为便于高速并行处理，中央处理器的数据类型除传统的各类标量外，都增加了向量或数组类型。向量或数组运算的实质，是相继或同时执行一批同样的运算，而标量运算只处理一个或一对操作数，故向量运算速度一般比标量运算速度快得多。
硬件结构
现代巨型机硬件大多采用流水线、多功能部件、阵列结构或多处理机等各种技术。流水线是把整个部件分成若干段，使众多数据能重叠地在各段操作，特别适于向量运算，性能-价格比高，应用普遍。多功能部件可以同时进行不同的运算，每个部件内部又常采用流水线技术，既适合向量运算又适合标量运算。中国的“银河”机和日本的VP/200、S810/20机进一步将每个向量流水部件或向量处理机加倍，组成双向量阵列，又把向量运算速度提高了两倍。美国CYBER－205机的向量处理机可按用户需要组成一、二或四条阵列式的流水线，技术上又有所发展。多处理机系统以多台处理机并行工作来提高系统的处理能力，各台处理机可以协作完成一个作业，也可以独立完成各自的作业。每台处理机内部也可采用各种适宜的并行处理技术。在任务的划分与分配、多处理机之间的同步与通信和互连网络的效益等方面，多处理机系统尚存在不少问题有待解决。现代巨型机采用的主要还是双处理机系统（如CRAY-XMP）和四处理机系统（如HEP）。
标量运算
标量运算速度对巨型机系统综合速度的影响极大。为此，除增设标量寄存器、标量后援寄存器或标量高速缓冲存储器以及采用先进的标量控制技术（如先行控制等）外，还可采用专作标量运算的功能部件和标量处理机等技术。例如，CRAY-1机的多功能部件中，有6个专作标量和地址运算，3个兼作标量浮点运算，标量运算速度可达每秒2000万次以上；CYBER205机专设标量处理机，含5个运算部件，标量运算速度可达每秒5000万次以上。在提高向量运算速度的同时，进一步提高标量运算速度，尽可能缩小两者的差距，已成为改善巨型机系统性能的重要研究课题。
组装工艺
缩短机内走线长度和提高机器主频，是提高巨型机速度的基础。现代巨型机主频有的已达250兆赫以上。为此，除提高芯片的集成度和速度外，还采用微组装等高密度多层组装工艺。由此而来的散热问题很突出，需要采取特殊的冷却措施。
并行算法和软件技术为充分发挥巨型机的系统性能，必须研究各种并行算法并研制并行化的软件系统。针对特大型科学计算的特点，巨型机通常配置如下软件：具有多重处理能力的批处理分布式操作系统、高效的汇编语言、向量FORTRAN或PASCAL、ADA语言和向量识别器、并行化标准子程序库、科学子程序库和应用程序库、系统实用程序、诊断程序等。
