超级服务器与信息网格(Grid)

 

中国科学院计算技术研究所

李国杰

 

摘要

 计算机系统结构也是“合久必分，分久必合”。从集中式的主机/终端到分布式的客户机/服务器，90年代末又走向集中管理的服务器聚集（consolidation），流行超级服务器，到下世纪，分布在世界各地的计算机将形成资源共享的网格（Grid）。本报告重点讨论高性能计算机与超级服务器的发展趋势、Internet的后继---信息网格的主要特点及其关键技术，我国高技术计划所从事的有关超级服务器与信息网格的研究进展以及国内高性能计算机产业的发展状况。最后论述ASP业务与服务器制造商合作统一的发展前景。

 

一、　 高性能计算机的发展趋势

高性能计算机得到各国政府，尤其是发达国家政府的支持，美国政府2000---2001年追加了近10亿美元投入高性能计算机的基础性研究。高性能计算机也越来越得到产业界的重视，已成为重要的生产工具。高性能计算机已从科学工程计算扩展到商业应用与网络信息服务。超级服务器目前已是高性能计算机的主流产品，因此，美国新的科技计划中常称为高端计算（High-end Computing）。高端计算机有以下几点明显的发展趋势。

1、 可扩展计算机已成为高端计算机的主流。

几乎所有的计算机厂商都推出了机群（Cluster）结构的高端计算机。今年在美国达拉斯举行的SuperComputing2000国际会议与展览会上，展出的大部分产品都是Cluster类型的并行计算机。Cluster系统不仅通过增加节点机（node）易于提高系统性能，保护用户投资，而且可用性高，一个节点出故障不会引起全系统瘫痪。目前世界上性能最高的超级计算机---IBM研制ASCI White超级计算机就是512台SMP多处理机组成的机群系统，共包含8192个处理机，峰值速度达美秒12.3万亿次浮点运算，这种机群系统称为CLUMP（Cluster of Multiprocessors）。

2、 超级服务器成为高端计算机的主要产品。

90年代中期以前，超级计算机主要用于科学工程计算。随着Internet的普及与发展，越来越多的高端计算机用于网络信息服务与事务处理，超级服务器逐渐成为高端计算机的主流产品。到1999年底，全世界性能最高的500台计算机（TOP500）中已有300多台是超级服务器。据IDC统计，目前高端计算机中90%以上用于非科学工程计算。

3、 采用商品化标准化部件。

90年代以前几乎所有的超级计算机都采用专门设计的芯片与主板和厂家独立开发的操作系统。随着微机服务器和RISC服务器的普及与价格急剧下降，采用大批量生产的单机或SMP服务器做节点和广泛流行的UNIX、NT或LINUX操作系统做节点操作系统已成为各厂家构建可扩展高端计算机的主要途径。甚至一些用户单位自己购买标准的部件即所谓Commodity产品，如PC服务器、100M Internet 也可以构造自用的机群系统。这种系统常称为Beowulf并行计算机。这种系统尽管通用性、可扩展性和可用性差一些，但成本低，对于那些对通信要求不高、应用较单一的用户有吸引力。

4、 应用模式从二层（2-Tier）向三层或多层发展。

80年代末开始，Client/Server成为是最流行的服务模式，表示与应用软件都放在客户机上（一般采用微机），后台采用服务器。随着中间件与Web技术的发展，三层或多层分布式应用体系越来越流行。在这种体系结构中，客户机只放表示层软件，应用逻辑包括事物处理、监控、信息排队、web服务等采用专门的中间件服务器，后台是数据库。中间件可能不止一层，因此可形成多层（Multi-Tier）服务器结构。

5、 非性能因素成为服务器的主要设计考虑。

统计表明：服务器（尤其是超级服务器）出故障主要不是硬件或软件出错，而是系统管理维护人员人为的错误。在美国，连续工作五年的服务器其90%以上的成本是维护成本。因此近来提高服务器的可维护性、可管理性已成为厂家与用户最关心的问题。在网络环境下，系统的安全性也成为关心热点，所谓易存活计算机（Survivable Computer）成为当前一研究热门。单纯的峰值速度已不是用户关心的重点。

6、 传统的性能价格比让位于总拥有性能价格比，即TPO/TCO。

过去用户购买计算机主要关心买入时的性能与价格。近几年，总拥有价格（TCO，即Total Cost of Ownership）和总拥有性能（TPO，即Total Performance of Ownership）已变成常用词，成为企业信息主管选型时的主要考虑因素，即用户更加注意自系统购买之日起系统的整个生命周期内（一般五年左右）所能得到的总的性能和总的花费。

7、 直接上网外存设备（NAS）已成为热点。

网络应用需要直接上网的海量存储，近两年来，Network Attached Storage(NAS)越来越被人们看好。今年SC-2000和Comdex 展览都有不少厂商展示新推出的NAS产品。数据密集与吞吐量（Throughput）密集型应用是服务器的主要应用，存储服务器与Storage Area Network也是当前服务器研究的主要方向。

8、 多媒体应用呼唤流处理（Streaming Processing）服务器。

多媒体应用，特别是视频与语音服务业务需要处理大量的视频流、语音流。流处理对服务器系统结构提出新的要求，包括流栈（Streaming Stack）技术等。对于多媒体应用，超短指令字（Very Short Instruction Word）系统结构和多向量处理可能是未来发展方向。

9、专用功能服务器有巨大市场潜力。

计算机技术与通信、信息家电技术的融合是信息技术发展的主要趋势。许多数字通信设备，如路由器、软交换器（Soft Switch）等本质上是一种专用的服务器。通信设备的研制必将越来越多地依靠服务器技术。高端服务器技术毫无疑问会在通信和广播电视领域开花结果。VOD服务器、超级email服务器、网络与信息安全服务器等各种专用服务器具有很大的市场潜力。

10、“合久必分，分久必合”。

计算机系统结构如同人类社会一样，其发展途径也是“合久必分，分久必合”。60—70年代，以IBM360为代表的集中式主机（Mainframe）系统是主流。80—90年代随着PC机的流行，Client/Server结构逐渐流行。各式各样的服务器分散在Internet上，管理开销很大。90年代后期将各种服务器集中在一个机柜中的服务器聚集（Server Consolidation）开始流行。近一两年，网格（Grid）研究变成新的热点。到21世纪分布在世界各地的服务器聚集和各种信息资源将成为不同领域网格系统的节点，给人们提供更方便的服务。

二、 信息网格的主要特点与关键技术

美国从十几年前起开始预研计算网格。1992年提出概念设计，现在已成为研究热点。今年召开的SC-2000国际会议上有许多关于网格的论文、报告与展品。有人认为，美国70年代关于Internet网格的研究导致了今天网络经济的繁荣，而现在对网格的研究可与70年代对Internet的研究相提并论，10年后网格将如同今天的Internet一样普及到国民经济和社会的各个领域。

笼统地讲，Internet的作用是将各种计算机连结起来，而网格是将各种信息资源（内容）连结起来。计算网格和信息网格的思想来源于电力网格，目的是将计算能力和信息资源像今天的电力一样方便地送到每一用户。早期，科研人员常用元计算（Metacomputing）表述计算网格，试图用分布在世界各地的超级计算机分布式地求解一些大规模科学工程计算问题。现在看来，有这种要求的用户很少而且实现起来难度很大，目前更多的学者在研究网格上的资源共享。

计算网格是国家级甚至世界级的高性能计算基础设施。它主要包括六大部分：网格节点、宽带网、网格软件、数据库、贵重仪器和可视化设备。网格节点是一些高性能计算机。数据库包括天文、基因、环保资源等信息和数据。贵重仪器包括理论物理研究的粒子加速器、大口径雷达、天文望远镜等。网格软件包括网格操作系统、网格编程与使用环境以及网格应用程序。网格软件提供单一系统映象、透明性、可靠性、负载平衡和资源共享等功能。目前较著名的网格软件有Globus、Legion等。

信息网格的研究还刚刚开始，许多概念还在形成之中。一般而言，信息网格是在全国（全世界）范围内对各行业和社会大众提供各种一体化的信息服务的信息基础设施。信息网格与目前的Web服务的主要不同是一体化。它将分布在全国甚至全世界的计算机、数据、信息、知识（软件）等组织成一个逻辑整体，各行业可以在此基础上运行各自的应用网格。

在Internet/Web上，数据和信息资源零散地分布在各个网格站点。而在信息网格中，资源被统一管理和使用。用户可以通过网格门户（portal）透明地使用整个网络资源。他们看到的是一个逻辑门户上的若干与自己相关的频道，而不用在成千上万个网站中搜索自己想要的信息。打一个不太精确的比方，信息网格相当于中央电视台，而目前的Internet/Web相当于成千上万个独立的制作组，各制作组有自己的频道、互不共享资源，只提供原始数据。采用信息网格技术的巨大优势是大大降低建立网站提供网站服务的成本（估计只是现有网站的1/3到1/10）。因为许多平台和资源都是共享的。对于大多数步履维艰的Web网站，导致门槛降低的信息网格无疑是一道福音。

建立大规模的网格系统的关键技术是网格系统软件，特别是网格操作系统，其核心技术包括以下几个方面。

l　　　  网格资源的管理：全网格资源目录的统一用户的帐户管理。动态地收集处理网格中各种资源（尤其是服务器）的状态信息是统一调度管理的基础。

l　　　  信息优化使用技术：提供目录和缓存技术，可以大大提高网格信息查询和浏览速度。用户、管理员和系统软件协同工作将零散的原始数据组织成一体化的信息和知识。

l　　　  网格中作业调度技术：网格中的信息将动态监测，网格中的作业将根据资源状况进行负载平衡，实现优化运行。

l　　　  网格安全技术：通过身份认证等安全技术防止非法用户通过网络使用或获取网格的任何资源，保障数据的安全性。同时，通过权限控制和数据隐藏技术使用户只能获取允许的信息和知识，而不能窃取未授权的信息。

在这些核心技术中重点要解决的软件问题包括性能与精度的不可预见性与鲁棒性，实时资源管理与动态算法选择，支持程序环境的多样性与急插急用性，容忍延迟和节约带宽的新算法设计，以及支持长时间运算等。

国家863技术已经启动中国的网格技术研究，着手建立中国的国家高性能计算环境和国家信息网格系统。以中国科学院计算所为牵头单位联合国内其他大学正在开发网格操作系统。分布在全国五个城市的国家高性能计算中心的超级计算机已经初步实现统一的资源目录管理。在今后五年内，我国的信息网格将初步建成。

三、 国内高性能计算机研制与产业化进展。

在国家863计划与其他政府计划的支持下，我国高性能计算机的研制与产业化已有长足的进展。2000年7月美国亚洲情报中心向美国政府提供了一份评估报告（ATIP00.0025），客观评价了中国高性能计算机的发展：“考察中国的高性能计算机的研究开发，从小规模到中规模的系统（不包括最大的系统）到系统软件系统、工具与应用软件，可以发现中国人正在摆脱落后，几乎非常接近西方……自主开发的系统，包括曙光服务器，采用了机群体系结构并有其他与IBM-SP2相关的特性。一台82个节点的曙光系统正在中国科学院运行，并已开发了许多系统软件和应用软件……高性能计算技术的研究与开发集中在一些主要城市大学里的国家高性能计算中心，大多数由国家智能计算机研究开发中心和曙光公司的研究人员指导……特别是他们的曙光服务器系统，提供了在并行硬件和软件领域的重要实践基础……”。这份ATIP报告中提到的82节点曙光系统是在国家863计划与中国科学院知识创新工程共同支持下完成的超级服务器曙光2000-II，包含窄、厚、高三类节点82个，共164个处理器。2000年1 月完成，浮点峰值速度每秒1100亿次。这是一套既适合科学计算又适合事务处理与网络信息服务的超级服务器，已由曙光公司产品化，称为曙光天潮系列。至今这种超级服务器售出了40多套，主要用于Internet信息服务（ASP）和生物、石油、气象等计算。曙光机已成为国内超级服务器的主力机型，销售套数超过IBM等跨国公司。2000年底，国家智能计算机研究开发中心将推出更高性能的曙光3000超级服务器，包含70个节点共280个处理机，峰值速度达每秒4000亿次浮点运算（400Gflops）。与此同时，为满足高速科学计算的需要，国家并行计算机工程中心不久前推出了峰值速度达3840亿次的神威大规模并行机，由384个处理机组成。神威并行机采用的是ALPHA芯片而曙光超级服务器采用的是Power3芯片。目前两台神威机分别安装在北京国家气象中心和上海国家高性能计算中心。

我国高性能计算机研制与产业化能取得如此快速的发展的主要原因是选择了符合国情与技术发展趋势的正确的技术路线。80年代末当863计划刚启动时，日本的五代机计划还如火如荼。我们认真地分析了市场需求与计算机发展趋势，清醒地认识到计算机产业已形成一系列国际工业标准，脱离工业标准和主流技术的所谓第五代智能计算机不可能有好的发展前途，因此果断决定以并行处理技术为基础的高性能计算机为主攻方向，以共享存储多处理机为第一个目标。93年推出曙光一号对称式多处理机以后，863计划又推出曙光1000大规模并行机。根据高性能计算机的发展趋势，从1996年开始，国家智能机中心迅速地转移到研制机群系统与超级服务器，这一系列正确的选择表明，我国科研人员在选择“做什么”方面已相当成熟，较少盲目性。

确定做哪种体系结构的高性能计算机只是有了正确的方向，研制是否成功在更大程度上取决于如何研制，即具体从哪些技术上突破。80年代以前，中国受到外国封锁，没有对外开放的条件，因此做大机器强调一切从头做起，强调所谓国产化率。一台大计算机的研制周期短到五、六年，长则七、八年，被人们戏称为“八年抗战”。可以设想，这种马拉松式的研制成果不可能有市场竞争力。曙光机的研制改变可这一旧的研究模式。研制一开始就把机器推出时间和机器成本作为重要的考核目标，保证了研制成果具有市场竞争力。根据我们自己的条件，我们将技术突破的重点放在处理机互连、机群操作系统、并行编程环境、高可用性等较高层次的增值创新。经过几年努力，我们在单一系统映象、文件管理、并行环境和硬件监控等方面已进入国际领先行列。实践证明，这种“有所为有所不为”的技术路线是发展中国家后来居上、跨越式发展的必由之路。

发展中国家在发展高技术上有很多制约因素，比如我们很难买到IBM等大公司的操作系统源程序（即使能买到，价格也十分昂贵）。90年代前期研制曙光一号与曙光1000时我们在购买标准UNIX源码基础上自己设计开发并行操作系统，虽然符合POSIX标准，但用户和第三软件厂商很难接受不是名牌的操作系统，用户从国外购买的应用程序目标码难以在曙光机上运行。从研制曙光2000开始，我们坚持了节点上AIX操作系统原封不动的原则，首创了在不修改商品化操作系统源码条件下，利用核心扩展、核心模块置换、用户空间Daemon技术，实现了机群文件系统、单一入口点等需要操作系统核心支持的创新功能，为国产高性能计算机的创新探索了一条可行的道路。这一途径使上万种商品化软件目标码可以在曙光机上运行，大大提高了曙光服务器的市场占有率。与此同时，我们也积极投入并行Linux 操作系统的研制，已推出基于Linux的安全服务器。随着Linux市场的快速增长，Linux将成为曙光服务器的主选操作系统。

由于广大用户越来越关心服务器的非性能因素，我们将用户最关心的可扩展性（Scalability）、易用性（Usability）、可管理性（Manageability）和可用性（Availability）归纳到SUMA特性，把它作为曙光服务器的主要特色和主攻方向，注册了“It’s SUMA”商标，真正在提高服务器的可扩展性、易用性、可管理性和可用性上下功夫，在这些方面获得了一大批自主知识产权。曙光公司把这些高端计算机的技术移植到低端PC服务器，大大增强了PC服务器的可维护性，受到用户普遍欢迎，也提高了曙光低端PC服务器的市场占有率。

随着Internet应用的普及，Internet数据中心（IDC）和应用服务供应商（ASP）在国内发展迅速。容纳上千服务器的IDC已开始建立，花数亿元买断应用软件平台（如Lotus Notes）进行软件租用服务的ASP也开始出现。这种形势为超级服务器的推广提供了难得的机遇。IDC和ASP的发展都需要服务器厂商的配合支持。在国家计委支持下，十五期间（2001—2005年）有关社会医疗保险、社区服务的全国性大规模Internet信息服务将陆续启动，预计通过各种途径将集资1500亿元人民币以上实施这些社会信息化项目。由于众多的ICP网站将投入各种不同的信息服务，建立一个先进的平台与总体框架结构十分必要。目前已初步确定由中科院计算所负责，将863最新成果运用到这一投资巨大的项目，以正在蓬勃兴起的网格技术为统一平台的基本技术，解决单一系统映象、资源共享、负载平衡、信息安全等一系列关键问题。在这些应用中超级服务器将发挥前所未有的巨大作用。事实上，曙光超级服务器已在网络信息服务中扮演了重要角色。一家民营高科技企业（乐捷公司）一次就采购18套超级服务器（共300多个节点机）用于超级email服务器、可视电话会议、VOD等信息服务。国家信息安全办公室也已采购了大批曙光服务器作为Internet的信息安全、过滤和应急。在今后的几年内，ASP服务厂商将与超级服务器厂商更密切地合作，开拓我国网络经济新时代。