高性能/并行/网格计算知识介绍

简单的说，高性能计算(High Performance Computing)是计算机科学的一个分支,主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的技术。随着计算机技术的飞速发展，高性能计算机的计算速度不断提高，其标准也处在不断变化之中。

目前，高性能计算机的衡量标准主要以计算速度(尤其是浮点运算速度)作为标准。高性能计算机是信息领域的前沿高技术，在保障国家安全、推动国防科技进步、促进尖端武器发展方面具有直接推动作用，是衡量一个国家综合实力的重要标志之一。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求迅猛增长。 并行计算(Parallel Computing)是指同时使用多台计算机协同合作解决计算问题的过程，其主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。

    图1：计算原理

    并行计算是相对于串行计算——即在单个计算机(具有单个中央处理单元)上执行的操作，所提出的。具体的说，并行计算是在多台(并行)计算机上将一个应用任务分解成多个子任务，分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同，同时执行子任务的过程。并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。为执行并行计算，计算资源应包括一台配有多处理(或并行处理)机的计算机和一个与网络相连的计算机专有编号。

    图2：(a)SIMD类型 (b)MIMD类型

   目前，对于并行计算的研究主要集中在空间上的并行问题上。空间上的并行导致了两类并行机的产生，即单指令流多数据流(SIMD)和多指令流多数据流(MIMD)。类似地，我们常用的串行机有时也被称为单指令流单数据流(SISD)。在1972年诞生的第一台并行计算机ILLIAC IV就属于SIMD类型机器。而自上个世纪八十年代以来，都是以MIMD并行计算机的研制为主。常见的MIMD类的机器可分：并行向量处理机(PVP)、对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP)、工作站机群(COW)、分布式共享存储处理机(DSM)等五类。并行计算机主要有以下四种访存模型：
    均匀访存模型(UMA)
    非均匀访存模型(NUMA)
    全高速缓存访存模型(COMA)
    一致性高速缓存非均匀存储访问模型(CC-NUMA)和非远程存储访问模型(NORMA)。

    常见的基本并行算法有：划分法(partitioning)、分治法(divide-and-conquer)、流水线方法(pipelining)、随机法(randomization)、平衡树法(balanced-tree)、倍增发(doubling)、迭代法(iteration)等。

    在当前并行计算机上，比较流行的并行编成环境可以分为三类：消息传递、共享存储和数据并行。消息传递的典型代表是MPI，它是基于大粒度的进程级并行，具有最好的可移植性，几乎被当前流行的各类并行计算机所支持，且具有很好的可扩展性；共享存储的典型代表是OpenMP，它主要应用于SMP、DSM类的并行计算机上，可扩展性不如消息传递并行编程，不过这种方法并行编程难度较小；数据并行的典型代表是HPF，主要被SMP、DSM和 MPP类型的并行计算机支持，它的数据存储模式是共享存储，对数据分配方式属于半隐式，可扩展性介于前两种之间。 

网格是一种新兴的技术，是继Internet和Web之后的第三次信息技术浪潮。学术界针对网格开展了很多研究，商业界也开始提供面向网格的服务。
       网格利用互联网把地理上广泛分布的各种资源(包括计算资源、存储资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等)连成一个逻辑整体，为用户提供一体化信息服务。在这个虚拟环境下，各个虚拟组织进行资源共享和协同工作，最充分的实现资源共享。 #p#page_title#e#

        计算化学(Computational Chemistry)是在计算机的帮助下求解化学及相关领域问题的交叉学科，计算化学家依据化学理论编制出计算机程序用于计算化学分子结构和性质，模拟生物大分子的变化和状态，模拟超分子材料、纳米材料的变化过程和结构性质。计算化学主要包括基于量子理论的量子化学(Quantum Chemistry)、用于研究分子反应过程机理、基于分子力学理论的分子动力学(Molecular Dynamics)、基于统计物理理论的、在大分子体系模拟中得到广泛应用的分子模拟(Molecular Simulation)技术及分子建模(Molecular Modeling)等领域。随着计算机硬件的飞速发展和带动，计算化学快速成长，计算化学手段和成果被广泛地应用于与国民经济相关的领域，如化工生产、药物设计、新药研制等。许多化学现象在计算的帮助下获得了成功解释，甚至于实验科学中的某些错误认识也得到了纠正。同时，科学家依据计算结果获得了具有预期功能的新型材料和高效药物，在科学研究和社会效益两方面均取得了巨大成功。
        为促进中科院以及我国计算化学发展和科研力量整合，在2004年依托于我单位成立了“计算化学虚拟实验室”(Virtual Laboratory for Computational Chemistry，简称VLCC)，它集合了国内外华人计算化学界的精英。现有国内外成员单位三十多个，涵盖了国内计算化学研究的最高水平。该实验室是基于现代计算机网络技术的新型科学研究虚拟组织，为从事计算化学研究的科研人员提供了集科学计算研究、软件开发、学术交流和技术培训于一体的科研工作平台，自成立以来共组织了5次学术或专家会议以及软件技术培训等活动，在推进中国计算化学发展中发挥了中坚作用。

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