洛斯阿莫斯實驗室與美國超級計算機的發(fā)展[權(quán)威精品]

洛斯阿莫斯實驗室與美國超級計算機的發(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 學術(shù)論文 期刊文獻 年終總結(jié) 年終報告 工作總結(jié) 個人總結(jié) 述職報告 實習報告 單位總結(jié) 2008 年 5 月，洛斯阿莫斯國家實驗室研制的超級計算機 “ 走鵑 ” 成為了世界上最強大的計算機。雖然世界上 “ 最強大的超級計算機 ” 這一桂冠曾幾易其主，但 “ 走鵑 ” 不僅僅是一臺運算速度超快的機器，它超前的結(jié)構(gòu)設(shè)計使它突破了每秒鐘千萬億次浮點計算的難關(guān)，正因如此， “ 走鵑 ” 點亮了計算機行業(yè)的技術(shù)革命。 洛斯阿莫斯實驗室一貫以在各個領(lǐng)域進行創(chuàng)新著稱，當然也包括計算機領(lǐng)域。正如實驗室主任杰克 沃爾頓在1978 年所說： “ 核武器科學推動了很多技術(shù)的發(fā)展，而且給計算機科學的研究提供了很大一部分的資金。而計算機也為解決核武器科學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計算的速度難關(guān)以前的幾十年，實驗室只能依靠機械的桌面計算器或者穿孔卡片機來進行制造早期核武器所需的計算，而國家安全與計算機之間的關(guān)系可不僅僅是巧合而已。 早期的計算機與曼哈頓計劃 幾千年來，人們一直需要通過計算工具來完成各種任務(wù)，包括最基本的算數(shù)管理記錄與計時。在 17 世紀，誕生了世界上首個機械計算設(shè)備 滑尺。直到 19 世紀，可以解析計算的計算機 先進的穿孔卡片計算機才開發(fā)出來，直到 20 世紀初才開始漸漸地失寵。 在二戰(zhàn)開始前的十幾年，復(fù)雜的模擬計算機異軍突起，模擬計算機運用可測的物理量，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 世紀初期，模擬計算機仍舊是一個相對簡單的機器。到 20 世紀，高級模擬計算機的發(fā)展已經(jīng)到達了頂峰，比如麻省理工大的 “ 微分分析儀 ” 一個以它解決微分方程的能力而命名的機器，它是由范內(nèi)瓦 布什和他的學生哈羅德 黑曾發(fā)明的。 20 世紀 30 年代末，布什和他的機器都入選到國防項目中。在美國決定參加二戰(zhàn)的前夕，在麻省理工學院的輻射實驗室內(nèi)，展開了很多關(guān)于重點防御技術(shù)的研究，比如雷達。在研究這些項目中，人們運用了很多工具，當然也包括 “ 微分分析儀 ” 。布什把幾個重點項目規(guī)劃為國防研究委員會的重點項目，而他本人在一段時間以后也成為了 “ 科學研究與發(fā)展 ” 實驗室的主任。 國防研究委員會所研究的項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，也是從這時候開始，這一計劃開始被稱為 “ 曼哈頓計劃 ” 。而且有關(guān)這些項目的實驗室也遷移到了圣達菲、新墨西哥州等地，后來人們稱之為 “Y 計劃 ” 。 在剛開始時， “Y 計劃 ” （洛斯阿莫斯國家實驗室的前身）為了設(shè)計制造出世界上第一顆原子彈應(yīng)用了大量的計算設(shè)備。 1943 年春，實驗室開始運行時購買了一些機械計算設(shè)備。在這些設(shè)備中，最有用的就是馬錢特桌面式計算機 ，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算。之后比較強大的 IBM 穿孔卡片計算機問世了，它可以進行更復(fù)雜的計算，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算。 剛開始的時候，洛斯阿莫斯實驗室的戰(zhàn)時計算機缺乏機械可靠性，很大一部分的結(jié)果需要進行修正，而且經(jīng)常算不出準確的結(jié)果。但是那段時間洛斯阿莫斯實驗室擁有幾位成績斐然的科學家，比如理查德 費曼和尼古拉斯 梅特羅波利斯，他們倆開始決定親自去維修桌面式計算機和打孔式計算機。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： “ 當實驗室的行政部門發(fā)現(xiàn)了我們所做的這些份外工作時，一些人開始挑剔，維修工作也受到干擾，可是后來因為能夠工作的計算機越來越少，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，但早期的計算機技術(shù)已經(jīng)是必不可少的了，尤其是當梅特羅波利斯和費曼的維修能力越來越熟練之后?？茖W家們可以運用計算機模擬復(fù)雜的實驗，在這些仿真中模擬出來的數(shù)據(jù)可以幫助科學家們理解內(nèi)爆的原理。同樣，計算機可以使科學家們準確地預(yù)測其他的物理和科學現(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)學家約翰 馮諾伊曼在 Y 計劃中舉足輕重，他為洛斯阿莫斯實驗室的科研人員們引進了很多最前沿的計算機技術(shù)，其中包括世界上第一臺電子數(shù)字積分計算機（ ENIAC）。計算機由賓夕法尼亞大學設(shè)計建造，是為了美國陸軍的火炮平臺進行計算而設(shè)計的，這些數(shù)據(jù)幫助炮手們準確瞄準武器。 ENIAC 的多功能結(jié)構(gòu)也使其用于早期的氫彈研究。事實上， ENIAC 在當時是不被公眾所知曉的，因為它的存在是當時的最高機密之一， 但它悄無聲息地在計算機的發(fā)展史上留下了濃墨重彩的一筆。 在戰(zhàn)后的幾年內(nèi)，桌面式計算機和 IBM 打孔式計算機繼續(xù)在實驗室使用。但是人們對于更復(fù)雜、更強大武器的追求迫使人們尋求更加強大、更加高級的電子計算機。梅特羅波利斯和弗蘭克 哈洛回憶到： “ 戰(zhàn)爭年代的經(jīng)歷使實驗室內(nèi)的科學家們和工程師們足夠興奮。機械化計算極大地刺激了戰(zhàn)后現(xiàn)代計算機的發(fā)展。 冷戰(zhàn)時期的計算機 二戰(zhàn)后，洛斯阿莫斯實驗室的科學家們改進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 ” 強了不止一個數(shù) 量級。馮諾伊曼安排使用 ENIAC 在賓夕法尼亞州進行一些早期的氫彈計算，但很快就發(fā)現(xiàn)洛斯阿莫斯實驗室需要屬于它自己的新型超級計算機。在芝加哥工作的梅特羅波利斯接受了來自洛斯阿莫斯實驗室的邀請，來制造這樣的一臺電子計算機。 ENIAC 的誕生促成了幾種類似的計算機的發(fā)展。梅特羅波利斯咨詢了馮諾伊曼，并且在研究了數(shù)個此類計算機以后，設(shè)計出來了屬于洛斯阿莫斯實驗室的版本。這個計算機更加強大，而且用起來更加順手，他們把它稱為數(shù)學分析數(shù)值積分器計算機，簡稱為 MANIAC。 1948 年， MANIAC正式建成，關(guān)于氫彈的研究也平 穩(wěn)地進行。 1949 年的 8 月，也就是蘇聯(lián)進行首次核武器實驗幾個月之后，氫彈的研制也被提上了日程。 1952 年初， MANIAC 建成幾個月后，在 10月 31 日，世界上首個全面熱核裝置 氫彈，在太平洋的埃尼威托克環(huán)礁中正式投入測試。此次實驗被稱作 “ 艾維 -麥克 ”（ Ivy-Mike）。它釋放出來能量相當于 500 個 “ 胖子 ” 炸彈的爆炸當量，試驗的小島頃刻化為烏有。 “ 艾維 -麥克 ” 計劃的成功超級計算機可謂功不可沒。實驗室的 “ 二把手 ” 諾里斯 布雷德巴里在 1954 年曾說： “ 超級計算機在任何熱核反應(yīng)中都至關(guān)重要，因為在這一領(lǐng)域中 的計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 一樣的計算機、普林斯頓大學的計算機以及 IBM 公司的計算機的發(fā)展，我們才有了解決我們所遇到問題的機器。 ” MANIAC 系列的產(chǎn)品在實驗室運行的很不錯，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60 年代初，梅特羅波利斯還在芝加哥大學制造了第三代MANIAC。但是在 20 世紀 50 年代，因為數(shù)字電子計算技術(shù)價格不再那么昂貴，而且更可靠、更強大 ，于是商業(yè)電腦逐漸取代了手工制作的 ENIAC。 在 1953 年，實驗室購置了第一臺商業(yè)計算機 IBM701。 IBM701 為洛斯阿莫斯實驗室開啟了計算的新時代，這個時代的計算機主要是由商業(yè)計算機和與合作伙伴共同開發(fā)的定制計算機組成。 20 世紀 50 年代到 60 年代之間的大部分時間內(nèi)，實驗室每 2 年計算能力就翻一番，這一非凡壯舉的實現(xiàn)得益于和私人公司的合作以及計算機技術(shù)上的重大突破。 這個時代最重要的進步就是在晶體管的發(fā)展和應(yīng)用。那個時代之前，計算機依靠的是真空管，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，洛斯阿莫斯實驗室接收了一臺 IBM-Stretch，它是 IBM 公司的第一部晶體管計算機，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 60 年代中葉，它都一直保持著全世界最快計算機的稱號。 此后為了尋求功能更強大的機器，洛斯阿莫斯實驗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算機 CDC6600，它是世界上第一臺每秒進行百萬次浮點運算的計算機，不過，這一紀錄很快就被 CDC7600 打破了。 西摩 克雷帶領(lǐng)研發(fā)隊伍制造了 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 億次浮點運算的 “ 克雷 -1” 。第二年，他將這一產(chǎn)品送入了洛斯阿莫斯實驗室。 “ 克雷 -1” 的原理是運用集成電路（包含無數(shù)晶體管的芯片）來提高性能，同時創(chuàng)新性地使用氟利昂系統(tǒng)保證機器不會過熱。西摩 克雷還創(chuàng)新性地使用矢量運算，這使得 “ 克 雷 -1” 比起同時代的其他計算機處理信息速度高效得多。 1985 年，洛斯阿莫斯實驗室又購買了 “ 克雷 ” 系列計算機，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 80 年代末，洛斯阿莫斯實驗室仍然是計算機技術(shù)發(fā)展的重要推動者。實驗室再次與 IBM 合作，同時還開始了和思考機器公司（ Thinking Machines Corporation）的合作。思考機器公司的大規(guī)模并聯(lián)機器使用幾千個微處理器同時進行大量的數(shù)據(jù)運算，將洛斯阿莫斯實驗室?guī)朊棵?10 億 級浮點運算的時代，不過當時 “ 克雷 -2” 已經(jīng)在別的地方實現(xiàn)了這一目標。但是，思考機器公司的命運和 20 世紀 90 年代初的世界政治格局一樣風云突變。 1992 年之后的計算機技術(shù)發(fā)展 隨著冷戰(zhàn)驟停，美國政府在超級計算機方面的資金投入也大幅縮減。這導致思考機器公司和克雷計算公司（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 “ 科學為基礎(chǔ)的庫存管理計劃（ SSSP） ” 項目，以確保美國核武器的核心知識和技術(shù)得到保護，包括武器設(shè)計、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的計算機。也正因如此， “ 加速戰(zhàn)略計算計劃 ” （ ASCI）迅速發(fā)展壯大，他們需要研制出更多更強大的計算機來支持 SSSP 項目。 ASCI 計劃的成功很大程度得益于國家實驗室與私人企業(yè)之間的前所未有的密切合作。 20 世紀 90 年代的時候，洛斯阿拉莫斯實驗室與克雷公司重新開始了合作。首先送達實驗室的機器是 T3D，這標志著克雷公司開始進入大規(guī)模并行處理階段。后來的 T90 和 J90 機型也打破了矢量技術(shù)的限制。但是對于 ASCI 計劃來說，要想達到國家安全目標，計算機的運算速度需要從每秒 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。顧名思義，并行集群計算機是好多臺各自獨立的電腦協(xié)同工作。實驗室第一臺并行集群的計算機名為 “ 藍山 ” ，它由 48 個硅圖形處理器組成，可以進行每秒 300 億次浮點運算，成為 1999 年世界上第三快的電子計算機。比 “ 藍山 ” 快的 2 臺計算機分別為在塞蒂亞國家實驗室和利弗莫爾國家實驗室運行。 ASCI Q 是洛斯阿莫斯實驗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 快的計算機，它的速度甚至可以達到每秒 20 萬億次浮點運算，更具意義的一點是，它采用了全新的 “ 計算機互聯(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運算的大關(guān)，也因為它的問世，洛斯阿莫斯實驗室在 1993 年的 CM-5 之后再一次擁有了 “ 世界上最快的超級計算機 ” 。 國家安全與未來科技創(chuàng)新 縱觀整個冷戰(zhàn)時期，世界上絕大多數(shù)的超級計算機都是為了國防項目才開始發(fā)展的。特別是依附于一些與發(fā)展維持核武器有關(guān)的項目。在 1983 年，洛斯阿莫斯實驗室建成 40 周年的時候，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)難題的計算機對于核彈設(shè)計者們來說就是最好的禮物。 ” 縱觀實驗室的歷史，對于核武器項目來說，計算機已經(jīng)得到了特殊的發(fā)展，時至今日，更多更強大的計算機可以進行更具體、更真實的武器仿真。依照實驗室試驗的數(shù)據(jù)來進行仿真，確保了估算得到加強，確保國家在未來可以維持長久的核威懾。 在洛斯阿莫斯實驗室的歷史中，計算機也被應(yīng)用在很多未來科技領(lǐng)域，比如上世紀 50 年代生物科學家們對于人類基因組計劃的探究。時至今日，這一計劃仍在延續(xù)，而且，現(xiàn)在的科學家們嘗試去應(yīng)用超級計 算機來破譯 DNA 的序列。近些年來，超級計算機還應(yīng)用在礦產(chǎn)勘探、基礎(chǔ)科學以及能源科學等領(lǐng)域。在 21 世紀，人類會把實驗室的計算機應(yīng)用的更為廣泛，人們可以用計算機進行更具體的建模運算，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