計算機系統(tǒng)結構也是“合久必分，分久必合”。從集中式的主機/終端到分布式的客戶機/服務器，90年代未又走向集中管理的服務器聚集(consolion)，流行超級服務器，進入20世紀，分布在世界各地的計算機半形成資源共享的網(wǎng)格(Grid)。由中國科學院計算技術研究所所長李國杰院士撰寫的“超級服務器與信息網(wǎng)格”重點探討了高性能計算機與超級服務器的發(fā)展趨勢、lnternet的后繼——信息網(wǎng)格的主要特點及其關鍵技術，我國高技術計劃所從事的有關超級服務器與信息網(wǎng)格的研究進展以及國內高性能計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況，論述了ASP業(yè)務與服務器制造商合作統(tǒng)一的發(fā)展前景。
高性能計算機的發(fā)展趨勢
高性能計算機得到各國政府，尤其是發(fā)達國家政府的支持，美國政府2000-2001年追加了近10億美元投入高性能計算機的基礎性研究。高性能計算機也越來越得到產(chǎn)業(yè)界的重視，已成為重要的生產(chǎn)工具。高性計算機已從科學工程計算擴展到商業(yè)應用與網(wǎng)絡信息服務。超級服務器目前已是高性能計算機的主流產(chǎn)品，因此，美國新的科技計劃中常稱為高端計算(High-end Computing)。高端計算機有以下幾點明顯的發(fā)展趨勢。
1、可擴展計算機已成為高端計算機的主流。
幾乎所有的計算機廠商都推出了機群(Cluster)結構的高端計算機。在美國達拉斯舉行的SuperComputing2000國際會議與展覽會上，展出的大部分產(chǎn)品都是Ciuster類型的并行計算機。Cluster系統(tǒng)不僅通過增加節(jié)點機(node)易于提高系統(tǒng)性能，保護戶投資，而且可用性高，一個節(jié)點出故障不會引起全系統(tǒng)癱瘓。目前世界上性能最高的超級計算機——IBM研制ASCIWhite超級計算機就是512臺SMP多處理機組成的機群系統(tǒng)，共包含 8192個處理機，峰值速度達美秒12.3萬億次浮點運算，這種機群系統(tǒng)稱為CLUMP(Cluster ofMultiprocessors)。
2、超級服務器成為高端計算機的主要產(chǎn)品。
其核心技術包括以下幾個方面。
·網(wǎng)格資源的管理：全網(wǎng)格資源目錄的統(tǒng)一用戶的帳戶管理。動態(tài)地收集處理網(wǎng)格中各種資源(尤其是服務器)的狀態(tài)信息是統(tǒng)一調度管理的基礎。
·信息優(yōu)化使用技術：提供目錄和緩存技術，可以大大提高網(wǎng)格信息詢和瀏覽速度。用戶、管理員和系統(tǒng)軟件協(xié)同工作將零散的原始數(shù)據(jù)組織成一體化的信息和知識。
·網(wǎng)格中作業(yè)調度技術：網(wǎng)格中的信息將動態(tài)臨測，網(wǎng)格中的作業(yè)將根據(jù)資源狀況進行負載平衡，實現(xiàn)優(yōu)化運行。
·網(wǎng)格安全技術：通過身份認證等安全技術防止非法用戶通過網(wǎng)絡使用或獲取網(wǎng)格的任何資源，保障數(shù)據(jù)的安全性。同時，通過權限控制和數(shù)據(jù)隱藏技術使用戶只能獲取允許的信息和知識，而不能竊取未授權的信息。
在這些核心技術中重點要解決的軟件問題包括性能與精度的不可預見性與魯棒性，實時資源管理與動態(tài)算法選擇，支持程序環(huán)境的多樣性與急插急用性，容忍延遲和節(jié)約帶寬的親算法設計，以及支持長時間運算等。
國家863技術已經(jīng)啟動中國的網(wǎng)格技術研究，著手建立中國的國家高性能計算環(huán)境和國家信息網(wǎng)格系統(tǒng)。以中國科學院計算所為牽頭單位聯(lián)合國內其他大學正在開發(fā)網(wǎng)格操作系統(tǒng)。分布在全國五個城市的國家高性能計算中心的超級計算機已經(jīng)初步實現(xiàn)統(tǒng)一的資源目錄管理。在今后五年內，我國的信息網(wǎng)格將初步建成。
國內高性能計算機研制與產(chǎn)業(yè)化進展。
在國家863計劃與其他政府計劃的支持下，我國高性能計算機的研制與產(chǎn)業(yè)化已有長足的進展。2000年7月美國亞洲情報中心向美國政府提供了一份評估報告 (ATIP00.0025)，客觀評價了中國高性能計算機的發(fā)展：“考察中國的高性能計算機的研究開發(fā)，從小規(guī)模到中規(guī)模的系統(tǒng)(不包括最大的系統(tǒng))到系統(tǒng)軟件系統(tǒng)、工具與應用軟件，可以發(fā)現(xiàn)中國人正在擺脫落后，幾乎非常接近西方……自主開發(fā)的系統(tǒng)，包括曙光服務器，采用了機群體系結構并有其他與IBM- SP2相關的特性。一臺82個節(jié)點的曙光系統(tǒng)正在中國科學院運行，并已開發(fā)了許多系統(tǒng)軟件和應用軟件……高性能計算技術的研究與開發(fā)集中在一些主要城市大學里的國家高性能計算中國，大多數(shù)由國家智能計算機研究開發(fā)中心和曙光公司的研究人員指導……特別是他們的曙光服務器系統(tǒng)，提供了在并行硬件和軟件領域的重要實踐基礎……”。這份ATIP報告中提到的82節(jié)點曙光系統(tǒng)是在國家863有人認為，美國70年代關于Internet網(wǎng)格的研究導致了今天網(wǎng)絡經(jīng)濟的繁榮，而現(xiàn)在對網(wǎng)格的研究可與70年代對Internet的研究相提并論，10年后網(wǎng)格將如同今天的Internet一樣普及到國民經(jīng)濟和社會的各個領域。
籠統(tǒng)地講，Internet的作用是將各種計算機連結起來，而網(wǎng)格是將各種信息資源(內容)連結起來。計算網(wǎng)格和信息網(wǎng)格的思想來源于電力網(wǎng)格，目的是將計算能力和信息資源像今天的電力一樣方便地送到每一用戶。早期，科研人員常用元計算(Metacomputing)表述計算網(wǎng)格，試圖用分布在世界各地的超級計算機分布式地求解一些大規(guī)模科學工程計算問題。現(xiàn)在看來，有這種要求的用戶很少而且實現(xiàn)起來難度很大，目前更多的學者在研究網(wǎng)格上的資源共享。
計算網(wǎng)格是國家級甚至世界級的高性能計算基礎設施。它主要包括六大部分：網(wǎng)格節(jié)點、寬帶網(wǎng)、網(wǎng)格軟件、數(shù)據(jù)庫、貴重2儀器和可視化設備。網(wǎng)格節(jié)點是一些高性能計算機。數(shù)據(jù)庫包括天文、基因、環(huán)保資源等信息和數(shù)據(jù)。貴重儀器包括理論物理研究的粒子加速器、大口徑雷達、天文望遠鏡等。網(wǎng)格軟件包括網(wǎng)格操作系統(tǒng)、網(wǎng)格編程與使用環(huán)境以及網(wǎng)格應用程序。網(wǎng)格軟件提供單一系統(tǒng)映象、透明性、可靠性、負載平衡和資源共享等功能。目前較著名的網(wǎng)格軟件有Globus、Legion等。
信息網(wǎng)格的研究還剛剛開始，許多概念還在形成之中。一般而言，信息網(wǎng)格是在全國(全世界)范圍內對各行業(yè)和社會大眾提供各種一體化的的信息服務的信息基礎設施。信息網(wǎng)格與目前的Web服務的主要不同是一體化。它將分布在全國甚至全世界的計算機、數(shù)據(jù)、信息資源零散地分布在各個網(wǎng)格站點。而在信息網(wǎng)格中，資源被統(tǒng)一管理和使用。用戶可以通過網(wǎng)格門戶(portal)透明地使用整個網(wǎng)絡資源。他們看到的是一個邏輯門戶上的若干與自己相關的頻道，而不用在成千上萬個網(wǎng)站中搜索自己想要的信息。打一個不太精確的比方，信息網(wǎng)格相當于中央電視臺，而目前的Internet/Web相當于成千上萬個獨立的制作組，各制作組有自己的頻道、互不共享資源，只提供原始數(shù)據(jù)。采用信息網(wǎng)格技術的巨大優(yōu)勢是大大降低建立網(wǎng)站提供網(wǎng)站提供網(wǎng)站服務的成本(估計只是現(xiàn)有網(wǎng)站的1/3到1/10)。因為許多平臺和資源都是共享的。對于大多數(shù)步履維艱的Web 網(wǎng)站，導致門檻降低的信息網(wǎng)格無疑是一道福音。
建立大規(guī)模的網(wǎng)格系統(tǒng)的關鍵技術是網(wǎng)格系統(tǒng)軟件，特別是網(wǎng)格操作系統(tǒng)， 90年代中期以前，超級計算機主要用于科學工程計算。隨著lnternet的普及與發(fā)展，越來越多的高端計算機用于網(wǎng)絡信息服務與事務處理，超級服務器逐漸成為高端計算機的主流產(chǎn)品。到1999年底，全世界性能最高的500臺計算機(TOP500)中已有300多臺是超級服務器。據(jù)LDC統(tǒng)計，目前高端計算機中90%以上用于非科學工程計算。
3、采用商品化標準化部件。
90年代以前幾乎所有的超級計算機都采用專門設計的芯片主板和廠家獨立開發(fā)的操作系統(tǒng)。隨著微機服務器和RISC服務器的普及與價格急劇下降，采用大批量生產(chǎn)的單機或SMP服務器做節(jié)點和廣泛流行的 UNIX、NT或LINUX操作系統(tǒng)做節(jié)點操作系統(tǒng)已成為各廠家構建可擴展高端計算機的主要途徑。甚至一些用戶單位自己購買標準的部件即所謂 Commodity產(chǎn)品，如PC服務器、100M Internet也可以構造自用的機群系統(tǒng)。這種系統(tǒng)常稱為Beowulf并行計算機。這種系統(tǒng)盡管通用性、可擴展性和可用性差一些，但成本低，對于那些對通信要求不高、應用較單一的用戶有吸引力。
4、應用模式從二層(2-Tier)向三層或多層發(fā)展。
80年代末開始， Client/Server成為是最流行的服務模式，表示與應用軟件都放在客戶機上(一般采用微機)，后臺采用服務器。隨著中間件與Web技術的發(fā)展，三層或多層分布式應用體系越來越流行。在這種體系結構中，客戶機只放表示層軟件，應用邏輯包括事物處理、監(jiān)控、信息排隊、Web服務等采用專門的中間件服務器，后臺是數(shù)據(jù)庫。中間件可能不止一層，因此可形成多層(Multi-Tier)服務器結構。
5、非性能因素成為服務器的主要設計考慮。
統(tǒng)計表明：服務器(尤其是超級服務器)出故障出要不是硬件或軟件出錯，而是系統(tǒng)管理維護人員人為的錯誤。在美國，連續(xù)工作五年的服務器其90%以上的成本是維護成本。因此近來提高服務器的可維護性、可管理性已成為廠家與用戶最關心的問題在網(wǎng)絡環(huán)境，下系統(tǒng)的安全性也成為關心熱點，所謂易存活計算機 (Survivable Conputer)成為當前一研究熱門。單純的峰值速度已不是用戶關心的重點。
6、傳統(tǒng)的性能價格比讓位于總擁有性能價格比，即TPO/TCO。
過去用戶購買計算機主要關心買入時的性能與價格。近幾年，總擁有價格(TCO，即Total Cost Ownership)和總擁有性能(TPO，即Total Performance of Ownership)已變成常用詞，成為企業(yè)信息主管選型時的主要考慮因素，即用戶更加注意自系統(tǒng)購買之日起系統(tǒng)的整個生命周期內(一般五年左右)所能得到的總的性能和總的花費。
7、直接上網(wǎng)外存設備(NAS)已成為熱點。
網(wǎng)絡應用需要直接上網(wǎng)的海量存儲，近兩年來， Network Attached Storage(NAS)越來越被人們看好。今年SC-2000和Comdex展覽都有不少廠商展示新推出的NAS產(chǎn)品。數(shù)據(jù)密集與吞吐量 (Throughput)密集型應用是服務器的主要應用，存儲服務器與Storage Area Network也是當前服務器研究的主要方向。
8、多媒體應用呼喚流處理(Streaming Processing)服務器。
多媒體應用，特別是視頻與語音服務業(yè)務需要處理大量的視頻流、語音流。流處理對服務器系統(tǒng)結構提出新的要求，包括流棧(Streaming Stack)技術等。對于多媒體應用，超短指令字(Very Short lnstrnction Word)系統(tǒng)結構和多向量處理可能是未來發(fā)展方向。
9、專用功能服務器有巨大市場潛力。
計算機技術與通信、信息家電技術的融合是信息技術發(fā)展的主要趨勢。許多數(shù)字通信設備，如路由器、軟交換器(Soft Switch)等本質上是一種專用的服務器。通信設備的研制必將越來越多地依靠服務器技術。高端服務器技術毫無疑問會在通信和廣播電視領域開花結果。 VOD服務器、超級email服務器、網(wǎng)絡與信息安全服務器等各種專用服務器具有很大的市場潛力。
10、“合久必分，分久必合”。
計算機系統(tǒng)結構如同人類社會一樣，其發(fā)展途徑也是“合久必分，分久必合”。60-70年代，以IBM360為代表的集中式主機(Mainframe)系統(tǒng)是主流。80-90年代隨著PC機的流行，Client/Server結構逐漸流行。各式各樣的服務器分散在Internet上，管理開銷很大。90年代后期將各種服務器集中在一個機柜中的服務器聚集(Server Consolidation)開始流行。近一兩年，網(wǎng)格(Grid)研究變成新的熱點。到21世紀分布在世界各地的服務器聚集和各種信息資源將成為不同領域網(wǎng)格系統(tǒng)的節(jié)點，給人們提供更方便的服務。
信息網(wǎng)格的主要特點與關鍵技術
美國從十幾年前起開始預研計算網(wǎng)格。1992 年提出概念設計，現(xiàn)在已成為研究熱點。在SC-2000國際會議上有許多關于網(wǎng)格的論文、報告與展品。計劃與中國科學院知識創(chuàng)新工程共同支持下完成的超級服務器曙光2000-II，包含窄、厚、高三類節(jié)點82個，共164個處理器，于2000年1月完成，浮點峰值速度每秒1100億次。這是一套既適合科學計算又適合事務處理與網(wǎng)絡信息服務的超級服務器，已由曙光公司產(chǎn)品化，稱為曙光天潮系列。至今這種超級服務器售出了40多套，主要用于Internet信息服務(ASP)和生物、石油、氣象等計算。曙光機已成為國內超級服務器的主力機型，銷售套數(shù)超過IBM等跨國公司。與此同時，為滿足高速科學計算的需要，國家并行計算機工程中心不久前推出了峰值速度達3840億次的神威大規(guī)模并行機，由384個處理機組成。神威并行機采用的是ALPHA芯片而曙光超級服務器采用的是Power3芯片。目前兩臺神威機分別安裝在北京國家氣象中心和上海國家高性能計算中心。
我國高性能計算機研制與產(chǎn)業(yè)化能取得如此快速的發(fā)展的主要原因是選擇了符合國情與技術發(fā)展趨勢的正確的技術路線。80年代末當863計劃剛啟動時，日本的五代機計劃還如火如荼。我們認真地分析了市場需求與計算機發(fā)展趨勢，清醒地認識到計算機產(chǎn)業(yè)已形成一系列國際工業(yè)標準，脫離工業(yè)標準和主流技術的所謂第五代智能計算機不可能有好的發(fā)展前途，因此果斷決定以并行處理技術為基礎的高性能計算機為主攻方向，以共享存儲多處理機為第一個目標。93年推出曙光一號對稱式多處理機以后，863計劃又推出曙光1000大規(guī)模并行機。根據(jù)高性能計算機的發(fā)展趨勢，從1996年開始，國家智能機中心迅速地轉移到研制機群系統(tǒng)與超級服務器，這一系列正確的選擇表明，我國科研人員在選擇 “做什么”方面已相當成熟，較少盲目性。
確定做哪種體系結構的高性能計算機只是有了正確的方向，研制是否成功在更大程度上取決于如何研制，即具體從哪些技術上突破。80年代以前，中國受到外國封鎖，沒有對外開放的條件，因此做大機器強調一切從頭做起，強調所謂國產(chǎn)化率。一臺大計算機的研制周期短到五、六年，長則七、八年，被人們戲稱為“八年抗戰(zhàn)”。可以設想，這種馬拉松式的研制成果不可能有市場競爭力，曙光機的研制改變可這一舊的研究模式。研制一開始就把機器推出時間和機器成本作為重要的考核目標，保證了研制成果具有市場競爭力。根據(jù)我們自己的條件，我們將技術突破的重點放在處理機互連、機群操作系統(tǒng)、并行編程環(huán)境、高可用性等較高層次的增值創(chuàng)新。經(jīng)過幾年努力，我們在單一系統(tǒng)映象、文件管理、并行環(huán)境和硬件監(jiān)控等方面已進入國際領先列。實踐證明，這種“有所為有所不為”的技術路線是發(fā)展中國家后來居上、跨越式發(fā)展的必由之路。
發(fā)展中國家在發(fā)展高技術上有很多制約因素，比如我們很難買到IBM等大公司的操作系統(tǒng)源程序(即使能買到，價格也十分昂貴)。90年代前期研制曙光一號與曙光1000時我們在購買標準UNIX 源碼基礎上自己設計開發(fā)并行操作系統(tǒng)，雖然符合POSIX標準，但用戶和第三軟件廠商很難接受不是名牌的操作系統(tǒng)，用戶從國外購買的應用程序目標碼難以在曙光機上運行。從研制曙光2000開始，我們緊持了節(jié)點上AIX操作系統(tǒng)原封不動的原則，首創(chuàng)了在不修改商品化操作系統(tǒng)源碼條件下，利用核心擴展、核心模塊置換、用戶空間Daemon技術，實現(xiàn)了機群文件系統(tǒng)、單一入口點等需要操作系統(tǒng)核心支持的創(chuàng)新功能，為國產(chǎn)高性能計算機的創(chuàng)新探索了一條可行的道路。這一途徑使上萬種商品化軟件目標碼可以在曙光機上運行，大大提高了曙光服務器的市場占有率。與此同時，我們也積極投入并行Linux的安全服務器。隨著 Linux市場的快速增長，Linux將成為曙光服務器的主選操作系統(tǒng)。
由于廣大用戶越來越關心服務器的非性能因素，我們將用戶最關心的可擴展性(Scalability)、易用性(Usability)、可管理性(Manageability)和可用性(Availability)歸納到SUMA特性，把它作為曙光服務器的主要特色和主攻方向，注冊了“l(fā)t’s SUMA”商標，真正在提高服務器的可擴展性、易用性、可管理性和可用注上下功夫，在這些方面獲得了一大批自主知識產(chǎn)權。曙光公司把這些高端計算機的技術移植到低端PC服務器，大大增強了PC服務器的可維護性，受到用戶普遍歡迎，也提高了曙光低端PC服務器的市場占有率。
隨著 Internet就用的普及，Internet數(shù)據(jù)中心(IDC)和應用服務供就商(ASP)在國內發(fā)展迅速。容納上千服務器的IDC已開始建立，花數(shù)億元買斷就用軟件平臺(如Lotus Notes)進行軟件租用服務的ASP也開始出現(xiàn)。這種形勢為超級服務器的推廣提供了難得的機遇。IDC和ASP的發(fā)展都需要服務器廠商的配合支持。在國家計委支持下，十五期間(2001-2005年)有關社會醫(yī)療保險、社區(qū)服務的全國性大規(guī)模Internet信息服務將陸續(xù)啟動，預計通過各種途徑將集資 1500億元人民幣以上實施這些社會信息化項目。由于眾多的ICP網(wǎng)站將投入各種不同的信息服務，建立一個先進的平臺與總體框架結構十分必要。目前已初步確定由中科院計算所負責，將863最新成虹運用到這一投資巨大的項目，以正在蓬勃興起的網(wǎng)格技術為統(tǒng)一平臺的基本技術，解決單一系統(tǒng)映象、資源共享、負載平衡、信息安全等一系列關鍵問題。在這些應用中超級服務器將發(fā)揮前所未有的巨大作用。在今后的幾年內，ASP服務廠商將與超級服務器廠商更密切地合作，開拓我國網(wǎng)絡經(jīng)濟新時代。