洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室與美國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展[權(quán)威精品]

洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室與美國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展 -權(quán)威精品 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 最新最全的 學(xué)術(shù)論文 期刊文獻(xiàn) 年終總結(jié) 年終報(bào)告 工作總結(jié) 個(gè)人總結(jié) 述職報(bào)告 實(shí)習(xí)報(bào)告 單位總結(jié) 2008 年 5 月，洛斯阿莫斯國家實(shí)驗(yàn)室研制的超級計(jì)算機(jī) “ 走鵑 ” 成為了世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。雖然世界上 “ 最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī) ” 這一桂冠曾幾易其主，但 “ 走鵑 ” 不僅僅是一臺運(yùn)算速度超快的機(jī)器，它超前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使它突破了每秒鐘千萬億次浮點(diǎn)計(jì)算的難關(guān)，正因如此， “ 走鵑 ” 點(diǎn)亮了計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)革命。 洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室一貫以在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新著稱，當(dāng)然也包括計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。正如實(shí)驗(yàn)室主任杰克 沃爾頓在1978 年所說： “ 核武器科學(xué)推動了很多技術(shù)的發(fā)展，而且給計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究提供了很大一部分的資金。而計(jì)算機(jī)也為解決核武器科學(xué)中的很多問題提供了工具和技術(shù)保障，否則，絕大部分的問題都很難這么快就得以解決。在突破千萬億次浮點(diǎn)計(jì)算的速度難關(guān)以前的幾十年，實(shí)驗(yàn)室只能依靠機(jī)械的桌面計(jì)算器或者穿孔卡片機(jī)來進(jìn)行制造早期核武器所需的計(jì)算，而國家安全與計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系可不僅僅是巧合而已。 早期的計(jì)算機(jī)與曼哈頓計(jì)劃 幾千年來，人們一直需要通過計(jì)算工具來完成各種任務(wù)，包括最基本的算數(shù)管理記錄與計(jì)時(shí)。在 17 世紀(jì)，誕生了世界上首個(gè)機(jī)械計(jì)算設(shè)備 滑尺。直到 19 世紀(jì)，可以解析計(jì)算的計(jì)算機(jī) 先進(jìn)的穿孔卡片計(jì)算機(jī)才開發(fā)出來，直到 20 世紀(jì)初才開始漸漸地失寵。 在二戰(zhàn)開始前的十幾年，復(fù)雜的模擬計(jì)算機(jī)異軍突起，模擬計(jì)算機(jī)運(yùn)用可測的物理量，比如距離或者是電壓來代表數(shù)據(jù)。雖然上千年前，早期航海家們就已經(jīng)使用例如 “ 星盤 ” 這樣的模擬設(shè)備，但一直到 20 世紀(jì)初期，模擬計(jì)算機(jī)仍舊是一個(gè)相對簡單的機(jī)器。到 20 世紀(jì)，高級模擬計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)了頂峰，比如麻省理工大的 “ 微分分析儀 ” 一個(gè)以它解決微分方程的能力而命名的機(jī)器，它是由范內(nèi)瓦 布什和他的學(xué)生哈羅德 黑曾發(fā)明的。 20 世紀(jì) 30 年代末，布什和他的機(jī)器都入選到國防項(xiàng)目中。在美國決定參加二戰(zhàn)的前夕，在麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，展開了很多關(guān)于重點(diǎn)防御技術(shù)的研究，比如雷達(dá)。在研究這些項(xiàng)目中，人們運(yùn)用了很多工具，當(dāng)然也包括 “ 微分分析儀 ” 。布什把幾個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)劃為國防研究委員會的重點(diǎn)項(xiàng)目，而他本人在一段時(shí)間以后也成為了 “ 科學(xué)研究與發(fā)展 ” 實(shí)驗(yàn)室的主任。 國防研究委員會所研究的項(xiàng)目包括布什本人非常感興趣的關(guān)于初級原子彈的研究。日本襲擊了珍珠港以后，原子彈的研究迅速發(fā)展。經(jīng)布什首肯，研究移交給了陸軍工程兵部隊(duì)，也是從這時(shí)候開始，這一計(jì)劃開始被稱為 “ 曼哈頓計(jì)劃 ” 。而且有關(guān)這些項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室也遷移到了圣達(dá)菲、新墨西哥州等地，后來人們稱之為 “Y 計(jì)劃 ” 。 在剛開始時(shí)， “Y 計(jì)劃 ” （洛斯阿莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的前身）為了設(shè)計(jì)制造出世界上第一顆原子彈應(yīng)用了大量的計(jì)算設(shè)備。 1943 年春，實(shí)驗(yàn)室開始運(yùn)行時(shí)購買了一些機(jī)械計(jì)算設(shè)備。在這些設(shè)備中，最有用的就是馬錢特桌面式計(jì)算機(jī) ，這些設(shè)備主要用于支持像 “ 小男孩兒 ” 那樣的槍法式鈾裂變核武器的計(jì)算。之后比較強(qiáng)大的 IBM 穿孔卡片計(jì)算機(jī)問世了，它可以進(jìn)行更復(fù)雜的計(jì)算，可以用來支持像 “ 胖子 ” 那樣的內(nèi)爆型的钚元素的核武器的計(jì)算。 剛開始的時(shí)候，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的戰(zhàn)時(shí)計(jì)算機(jī)缺乏機(jī)械可靠性，很大一部分的結(jié)果需要進(jìn)行修正，而且經(jīng)常算不出準(zhǔn)確的結(jié)果。但是那段時(shí)間洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室擁有幾位成績斐然的科學(xué)家，比如理查德 費(fèi)曼和尼古拉斯 梅特羅波利斯，他們倆開始決定親自去維修桌面式計(jì)算機(jī)和打孔式計(jì)算機(jī)。像梅特羅波利斯和他辦公室的同事埃爾德雷德 納爾 遜在戰(zhàn)后說的那樣： “ 當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的行政部門發(fā)現(xiàn)了我們所做的這些份外工作時(shí)，一些人開始挑剔，維修工作也受到干擾，可是后來因?yàn)槟軌蚬ぷ鞯挠?jì)算機(jī)越來越少，這些批判者們又開始懇求我們恢復(fù)之前的工作。 ” 盡管缺乏可靠性，但早期的計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)是必不可少的了，尤其是當(dāng)梅特羅波利斯和費(fèi)曼的維修能力越來越熟練之后?？茖W(xué)家們可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在這些仿真中模擬出來的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家們理解內(nèi)爆的原理。同樣，計(jì)算機(jī)可以使科學(xué)家們準(zhǔn)確地預(yù)測其他的物理和科學(xué)現(xiàn)象，比如1945 年 10 月份的 “ 三位一體核試爆 ” （ Trinity Test）。而在此次核試驗(yàn)幾周之后，原子彈投入了戰(zhàn)場，而且最終以勝利宣告二戰(zhàn)結(jié)束。 作為顧問，杰出的匈牙利數(shù)學(xué)家約翰 馮諾伊曼在 Y 計(jì)劃中舉足輕重，他為洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的科研人員們引進(jìn)了很多最前沿的計(jì)算機(jī)技術(shù)，其中包括世界上第一臺電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ ENIAC）。計(jì)算機(jī)由賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)建造，是為了美國陸軍的火炮平臺進(jìn)行計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些數(shù)據(jù)幫助炮手們準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)武器。 ENIAC 的多功能結(jié)構(gòu)也使其用于早期的氫彈研究。事實(shí)上， ENIAC 在當(dāng)時(shí)是不被公眾所知曉的，因?yàn)樗拇嬖谑钱?dāng)時(shí)的最高機(jī)密之一， 但它悄無聲息地在計(jì)算機(jī)的發(fā)展史上留下了濃墨重彩的一筆。 在戰(zhàn)后的幾年內(nèi)，桌面式計(jì)算機(jī)和 IBM 打孔式計(jì)算機(jī)繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室使用。但是人們對于更復(fù)雜、更強(qiáng)大武器的追求迫使人們尋求更加強(qiáng)大、更加高級的電子計(jì)算機(jī)。梅特羅波利斯和弗蘭克 哈洛回憶到： “ 戰(zhàn)爭年代的經(jīng)歷使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科學(xué)家們和工程師們足夠興奮。機(jī)械化計(jì)算極大地刺激了戰(zhàn)后現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展。 冷戰(zhàn)時(shí)期的計(jì)算機(jī) 二戰(zhàn)后，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們改進(jìn)了核裂變武器而且探索了制造氫彈的可能性，氫彈的破壞力比 “ 胖子 ” 和“ 小男孩 ” 強(qiáng)了不止一個(gè)數(shù) 量級。馮諾伊曼安排使用 ENIAC 在賓夕法尼亞州進(jìn)行一些早期的氫彈計(jì)算，但很快就發(fā)現(xiàn)洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室需要屬于它自己的新型超級計(jì)算機(jī)。在芝加哥工作的梅特羅波利斯接受了來自洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的邀請，來制造這樣的一臺電子計(jì)算機(jī)。 ENIAC 的誕生促成了幾種類似的計(jì)算機(jī)的發(fā)展。梅特羅波利斯咨詢了馮諾伊曼，并且在研究了數(shù)個(gè)此類計(jì)算機(jī)以后，設(shè)計(jì)出來了屬于洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的版本。這個(gè)計(jì)算機(jī)更加強(qiáng)大，而且用起來更加順手，他們把它稱為數(shù)學(xué)分析數(shù)值積分器計(jì)算機(jī)，簡稱為 MANIAC。 1948 年， MANIAC正式建成，關(guān)于氫彈的研究也平 穩(wěn)地進(jìn)行。 1949 年的 8 月，也就是蘇聯(lián)進(jìn)行首次核武器實(shí)驗(yàn)幾個(gè)月之后，氫彈的研制也被提上了日程。 1952 年初， MANIAC 建成幾個(gè)月后，在 10月 31 日，世界上首個(gè)全面熱核裝置 氫彈，在太平洋的埃尼威托克環(huán)礁中正式投入測試。此次實(shí)驗(yàn)被稱作 “ 艾維 -麥克 ”（ Ivy-Mike）。它釋放出來能量相當(dāng)于 500 個(gè) “ 胖子 ” 炸彈的爆炸當(dāng)量，試驗(yàn)的小島頃刻化為烏有。 “ 艾維 -麥克 ” 計(jì)劃的成功超級計(jì)算機(jī)可謂功不可沒。實(shí)驗(yàn)室的 “ 二把手 ” 諾里斯 布雷德巴里在 1954 年曾說： “ 超級計(jì)算機(jī)在任何熱核反應(yīng)中都至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中 的計(jì)算量可不是在一摞小紙片上用滑尺算算就可以解決的。也就是最近，隨著像MANIAC 一樣的計(jì)算機(jī)、普林斯頓大學(xué)的計(jì)算機(jī)以及 IBM 公司的計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我們才有了解決我們所遇到問題的機(jī)器。 ” MANIAC 系列的產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的很不錯(cuò)，前途也十分光明。 1956 年，第二代 MANIAC 制造完成，它比原型產(chǎn)品更易于操作。在服役了 20 多年之后，于 1977 年停用。 20 世紀(jì)60 年代初，梅特羅波利斯還在芝加哥大學(xué)制造了第三代MANIAC。但是在 20 世紀(jì) 50 年代，因?yàn)閿?shù)字電子計(jì)算技術(shù)價(jià)格不再那么昂貴，而且更可靠、更強(qiáng)大 ，于是商業(yè)電腦逐漸取代了手工制作的 ENIAC。 在 1953 年，實(shí)驗(yàn)室購置了第一臺商業(yè)計(jì)算機(jī) IBM701。 IBM701 為洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室開啟了計(jì)算的新時(shí)代，這個(gè)時(shí)代的計(jì)算機(jī)主要是由商業(yè)計(jì)算機(jī)和與合作伙伴共同開發(fā)的定制計(jì)算機(jī)組成。 20 世紀(jì) 50 年代到 60 年代之間的大部分時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室每 2 年計(jì)算能力就翻一番，這一非凡壯舉的實(shí)現(xiàn)得益于和私人公司的合作以及計(jì)算機(jī)技術(shù)上的重大突破。 這個(gè)時(shí)代最重要的進(jìn)步就是在晶體管的發(fā)展和應(yīng)用。那個(gè)時(shí)代之前，計(jì)算機(jī)依靠的是真空管，真空管既發(fā)熱，而且還要定期更換，用以 控制電流。比如說 ENIAC 含有超過 17000 個(gè)真空管。而從另一方面講，晶體管體積更小、更可靠、更便宜、更簡單。為了滿足武器開發(fā)日益增長的需要， 1961 年，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室接收了一臺 IBM-Stretch，它是 IBM 公司的第一部晶體管計(jì)算機(jī)，盡管 IBM-Stretch 的性能沒有 IBM 公司設(shè)想的那樣出色，但直到 20 世紀(jì) 60 年代中葉，它都一直保持著全世界最快計(jì)算機(jī)的稱號。 此后為了尋求功能更強(qiáng)大的機(jī)器，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室又把目光投向了數(shù)據(jù)控制公司（簡稱 CDC）。 CDC 生產(chǎn)了世界上首臺超級計(jì)算機(jī) CDC6600，它是世界上第一臺每秒進(jìn)行百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，不過，這一紀(jì)錄很快就被 CDC7600 打破了。 西摩 克雷帶領(lǐng)研發(fā)隊(duì)伍制造了 CDC6600 和 7600。1972 年他離開了 CDC，建立了自己的公司 克雷研究公司。1975 年，他設(shè)計(jì)完成了具有革命性意義的第一款產(chǎn)品 每秒1.6 億次浮點(diǎn)運(yùn)算的 “ 克雷 -1” 。第二年，他將這一產(chǎn)品送入了洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室。 “ 克雷 -1” 的原理是運(yùn)用集成電路（包含無數(shù)晶體管的芯片）來提高性能，同時(shí)創(chuàng)新性地使用氟利昂系統(tǒng)保證機(jī)器不會過熱。西摩 克雷還創(chuàng)新性地使用矢量運(yùn)算，這使得 “ 克 雷 -1” 比起同時(shí)代的其他計(jì)算機(jī)處理信息速度高效得多。 1985 年，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室又購買了 “ 克雷 ” 系列計(jì)算機(jī)，其中最著名的是 X-MP。 1982?1985 年間，使用多矢量處理器的 X-MP 榮獲世界上最快電腦的桂冠。 20 世紀(jì) 80 年代末，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室仍然是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要推動者。實(shí)驗(yàn)室再次與 IBM 合作，同時(shí)還開始了和思考機(jī)器公司（ Thinking Machines Corporation）的合作。思考機(jī)器公司的大規(guī)模并聯(lián)機(jī)器使用幾千個(gè)微處理器同時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，將洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室?guī)朊棵?10 億 級浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)代，不過當(dāng)時(shí) “ 克雷 -2” 已經(jīng)在別的地方實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。但是，思考機(jī)器公司的命運(yùn)和 20 世紀(jì) 90 年代初的世界政治格局一樣風(fēng)云突變。 1992 年之后的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展 隨著冷戰(zhàn)驟停，美國政府在超級計(jì)算機(jī)方面的資金投入也大幅縮減。這導(dǎo)致思考機(jī)器公司和克雷計(jì)算公司（克雷研究公司的分支）在 1994 年和 1995 年相繼破產(chǎn)。但是就在這些公司破產(chǎn)之后，美國會又啟動了 “ 科學(xué)為基礎(chǔ)的庫存管理計(jì)劃（ SSSP） ” 項(xiàng)目，以確保美國核武器的核心知識和技術(shù)得到保護(hù)，包括武器設(shè)計(jì)、武器系統(tǒng)整合、武器生產(chǎn)、武器 安全、武器使用及管控、武器可靠性的評估以及武器的證書，而且新的法案要求加緊研制出建模與仿真能力更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)。也正因如此， “ 加速戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃 ” （ ASCI）迅速發(fā)展壯大，他們需要研制出更多更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來支持 SSSP 項(xiàng)目。 ASCI 計(jì)劃的成功很大程度得益于國家實(shí)驗(yàn)室與私人企業(yè)之間的前所未有的密切合作。 20 世紀(jì) 90 年代的時(shí)候，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室與克雷公司重新開始了合作。首先送達(dá)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器是 T3D，這標(biāo)志著克雷公司開始進(jìn)入大規(guī)模并行處理階段。后來的 T90 和 J90 機(jī)型也打破了矢量技術(shù)的限制。但是對于 ASCI 計(jì)劃來說，要想達(dá)到國家安全目標(biāo)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度需要從每秒 10 億次飛躍到每秒萬億次。而一種新的構(gòu)造方式 并行集群能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。顧名思義，并行集群計(jì)算機(jī)是好多臺各自獨(dú)立的電腦協(xié)同工作。實(shí)驗(yàn)室第一臺并行集群的計(jì)算機(jī)名為 “ 藍(lán)山 ” ，它由 48 個(gè)硅圖形處理器組成，可以進(jìn)行每秒 300 億次浮點(diǎn)運(yùn)算，成為 1999 年世界上第三快的電子計(jì)算機(jī)。比 “ 藍(lán)山 ” 快的 2 臺計(jì)算機(jī)分別為在塞蒂亞國家實(shí)驗(yàn)室和利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。 ASCI Q 是洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室和惠普公司的合作產(chǎn)物，它一經(jīng)問世便迅速躥升至 2002 年世界上第二 快的計(jì)算機(jī)，它的速度甚至可以達(dá)到每秒 20 萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算，更具意義的一點(diǎn)是，它采用了全新的 “ 計(jì)算機(jī)互聯(lián) ” 結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)也使得“ 走鵑 ” 于 2008 年最終打破了每秒千萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算的大關(guān)，也因?yàn)樗膯柺?，洛斯阿莫斯?shí)驗(yàn)室在 1993 年的 CM-5 之后再一次擁有了 “ 世界上最快的超級計(jì)算機(jī) ” 。 國家安全與未來科技創(chuàng)新 縱觀整個(gè)冷戰(zhàn)時(shí)期，世界上絕大多數(shù)的超級計(jì)算機(jī)都是為了國防項(xiàng)目才開始發(fā)展的。特別是依附于一些與發(fā)展維持核武器有關(guān)的項(xiàng)目。在 1983 年，洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室建成 40 周年的時(shí)候，弗蘭克 哈洛和梅特羅 波利斯曾經(jīng)說過： “ 世界上可以解決大量技術(shù)難題的計(jì)算機(jī)對于核彈設(shè)計(jì)者們來說就是最好的禮物。 ” 縱觀實(shí)驗(yàn)室的歷史，對于核武器項(xiàng)目來說，計(jì)算機(jī)已經(jīng)得到了特殊的發(fā)展，時(shí)至今日，更多更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行更具體、更真實(shí)的武器仿真。依照實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行仿真，確保了估算得到加強(qiáng)，確保國家在未來可以維持長久的核威懾。 在洛斯阿莫斯實(shí)驗(yàn)室的歷史中，計(jì)算機(jī)也被應(yīng)用在很多未來科技領(lǐng)域，比如上世紀(jì) 50 年代生物科學(xué)家們對于人類基因組計(jì)劃的探究。時(shí)至今日，這一計(jì)劃仍在延續(xù)，而且，現(xiàn)在的科學(xué)家們嘗試去應(yīng)用超級計(jì) 算機(jī)來破譯 DNA 的序列。近些年來，超級計(jì)算機(jī)還應(yīng)用在礦產(chǎn)勘探、基礎(chǔ)科學(xué)以及能源科學(xué)等領(lǐng)域。在 21 世紀(jì)，人類會把實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)應(yīng)用的更為廣泛，人們可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行更具體的建模運(yùn)算，而且有助于探究氣候的變化，世界性流行疾病的傳播，還有宇宙的奧秘，就像人們把