計(jì)算機(jī)硬件性能在摩爾定律的推動下越來越強(qiáng)大，這促使高性能計(jì)算機(jī)（HPC）也在發(fā)生著改變，那些位于數(shù)據(jù)中心的體積龐大的高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率已經(jīng)跨過了每秒千萬億次的門檻，而另一些計(jì)算能力在千億次甚至萬億次、但體積小巧的高性能計(jì)算機(jī)則走上了桌面，其應(yīng)用領(lǐng)域也日漸擴(kuò)展。

高性能計(jì)算（HPC）離不開超級計(jì)算機(jī)。在一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室里，我們常能見到外形巨大的大型機(jī)器，它們幾乎占滿了機(jī)房。盡管在未來這些超級系統(tǒng)絕不會消失，但我們同時也看到，往日一直由超級計(jì)算機(jī)來處理的一些應(yīng)用正在走向桌面。

究其原因，分析人士認(rèn)為，在一臺標(biāo)準(zhǔn)PC上，8年前大約需要花1小時才能處理的任務(wù)，現(xiàn)在只要6秒鐘就能完成，因?yàn)樽烂嬗?jì)算機(jī)的處理能力、圖形處理器（GPU）的性能、網(wǎng)絡(luò)帶寬和固態(tài)硬盤速度等都已經(jīng)有了大幅提升，加上64位的吞吐量，這些改進(jìn)已使桌面計(jì)算機(jī)越來越適合處理大規(guī)模計(jì)算項(xiàng)目。

正是由于這些進(jìn)步，向“桌面端超級計(jì)算機(jī)”轉(zhuǎn)變的步伐已經(jīng)邁出。眼下，地震模擬、核武器儲備模擬和DNA研究仍然還在傳統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，但隨著處理器在今后10年間向多核技術(shù)發(fā)展，可想而知，以上這些應(yīng)用（或部分應(yīng)用）都會進(jìn)入到桌面端。

麻醉劑藥效的追蹤

盡管現(xiàn)今醫(yī)生們知道如何開麻醉劑，也知道其藥效，但并不知道病人被麻醉入睡后，這些藥的分子在起什么作用。這種分析需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，要既能查看麻醉劑何時進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，還能查看如何開始發(fā)揮藥效。

為了解決這一問題，美國天普大學(xué)（Temple University）的研究人員研制出了相關(guān)的模型，可測試出對神經(jīng)細(xì)胞中的分子實(shí)施麻醉后出現(xiàn)的后果。目前，該模型正在超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，不過，他們計(jì)劃將在有4個節(jié)點(diǎn)的NVIDIA（英偉達(dá)）GPU集群上進(jìn)行運(yùn)算。這不但可以省錢，還能讓研究人員有更大的靈活性，他們可以在做好準(zhǔn)備工作的時候進(jìn)行測試，而沒必要非要在事先安排好的時間段里才能使用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試。在這種應(yīng)用需求下，每個GPU都擁有一個小型HPC集群的計(jì)算能力。GPU運(yùn)算所涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)算其規(guī)模相當(dāng)于通常用來為渲染視頻游戲像素的運(yùn)算。

項(xiàng)目研究人員Axel Kohlmeyer博士表示，想弄明白這種模擬，最好的辦法就是想像一只盒子里面塞滿了橡皮球，每個球的尺寸略有不同，運(yùn)動速度也略有不同。它們之間相互用彈簧連起來，而這些彈簧的強(qiáng)度也不一樣，使得有些球的運(yùn)動速度比較快，而有些較慢，反應(yīng)不一樣。Axel Kohlmeyer可以在模擬中跟蹤所有分子的活動，看看麻醉藥在人體中的效果。

Axel Kohlmeyer說：“分子會形成粒子團(tuán)，它們的運(yùn)動方向由相互聯(lián)系的數(shù)量來決定?！彼忉屨f，模擬已經(jīng)發(fā)展到了相互之間的聯(lián)系均衡的階段。溫度的變化會引起振動，使分子出現(xiàn)新的活動?！坝?jì)算模型難就難在需要成千上萬錯綜復(fù)雜的相互聯(lián)系。我們不僅想知道某些點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，而且還想知道以后會如何慢慢變化。”他補(bǔ)充說，另一個難題就是不得不經(jīng)常重復(fù)運(yùn)算。

對Axel Kohlmeyer來說，模擬的目的在于發(fā)現(xiàn)人體中到底何時出現(xiàn)什么感覺都沒有的情況，而弄清楚了這點(diǎn)，就有望研制出新型的麻醉藥，或幫助醫(yī)生查明為什么手術(shù)后會出現(xiàn)記憶力減退之類的問題。

手術(shù)模擬

美國俄亥俄州哥倫布市俄亥俄超級計(jì)算中心（OSC）的研究人員發(fā)現(xiàn)，不是每項(xiàng)模擬都需要傳統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)。OSC主任兼生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用部門的接口實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家Don Stredney發(fā)現(xiàn)了超級計(jì)算機(jī)通常存在的一個局限性：批處理進(jìn)程是靜態(tài)的，只能在預(yù)定的時間段運(yùn)行。它們無法提供實(shí)時的相互聯(lián)系，所以無法模擬真實(shí)的外科手術(shù)。他表示，成本在6000美元到10000美元的桌面工作站使他的團(tuán)隊(duì)可進(jìn)行手術(shù)模擬，實(shí)時顯示外科手術(shù)是如何改變病人身體結(jié)構(gòu)的。

Don Stredney表示，他所在的行業(yè)得益于計(jì)算機(jī)游戲領(lǐng)域的創(chuàng)新，因?yàn)槠胀ǖ南M(fèi)級GPU的功能已經(jīng)變得極其強(qiáng)大，只要極低的成本就能得到非常逼真的效果。該領(lǐng)域的研究人員使用普通PC運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的GPU，比如來自AMD公司ATI部門和NVIDIA公司的GPU，但不是高端GPU集群。不過他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一些模擬中的數(shù)據(jù)集變得太大時，就需要重新使用超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算。Don Stredney表示，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)集急劇變得非常龐大，或每一幅圖像都有數(shù)GB大小，以及數(shù)據(jù)采集時通常為0.5TB大小的多尺度數(shù)據(jù)集這些情況時，他的團(tuán)隊(duì)會重新使用超級計(jì)算機(jī)。他表示，實(shí)時視覺和聽覺模擬需要越來越大的數(shù)據(jù)集和復(fù)雜的相互聯(lián)系，因而需要更高端的系統(tǒng)。

汽車設(shè)計(jì)

Autodesk公司汽車部門的Ed Martin經(jīng)理表示，注塑模擬對汽車廠商來說很重要。注塑是指利用塑料材料制作零部件的一種工藝。模擬可顯示注塑模（比如保險(xiǎn)杠）會不會引起痕陷，注塑模與汽車其他零部件的配合度如何，模擬還能暴露出任何瑕疵。設(shè)計(jì)師要考慮許多變量，如注塑模溫度、幾何形狀以及注塑工藝與某些材料的適合程度等。Ed Martin解釋說，單單防護(hù)板的一個物理原型造價(jià)就超過100萬美元，所以模擬越準(zhǔn)確，需要制造的原型數(shù)量就越少，因而生產(chǎn)成本就越低。

Ed Martin說：“模擬過去需要安裝大量的集群計(jì)算系統(tǒng)，但我們現(xiàn)在用當(dāng)前的桌面計(jì)算機(jī)就能獲得同樣強(qiáng)的能力?！彼硎荆谶@方面起到最大作用的桌面領(lǐng)域的一些進(jìn)步包括：采用多核處理器、使用多個GPU以及64位吞吐量。Ed Martin使用的就是可以從沃爾瑪買到的標(biāo)準(zhǔn)桌面計(jì)算機(jī)，它們配備了兼容3D的最新GPU和英特爾雙核處理器。

汽車行業(yè)還使用桌面軟件來為汽車設(shè)計(jì)制作模型。借助這類工具，汽車廠商就能制作出復(fù)雜的透視圖，效果可與一流視頻游戲中的圖形相媲美，甚至更出色。值得關(guān)注的是，當(dāng)這些模型在桌面PC上制作完畢后，常?？梢杂糜跔I銷資料和電視廣告中。Ed Martin表示，完全可以將超級計(jì)算機(jī)上制作的模型傳輸?shù)絇C上，但如今PC之間傳輸文件來得更簡單，因?yàn)槲募袷皆诟鲬?yīng)用程序之間是兼容的，如果通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸，則有可能將圖形傳送給數(shù)量更多的用戶。

舉一個在桌面上制作模型的例子。設(shè)計(jì)師常常建立車漆模型，認(rèn)真觀察金屬片以及它們在某些塑料上的外觀，或者觀察車漆在某些光照條件下會不會顯得沒有光澤。模型越準(zhǔn)確，它們的制作工藝就越集中。過去，因?yàn)檐嚻嶂惺褂玫母叻肿硬牧洗蠹s有8000種，因此，高性能計(jì)算環(huán)境必不可少，Ed Martin表示，如今桌面系統(tǒng)就能勝任這種高速處理任務(wù)。

基于Web的計(jì)算搜索

HPC走向桌面最值得關(guān)注的途徑之一就是經(jīng)由Web。眼下這方面的最佳例子就是WolframAlpha網(wǎng)站，按該網(wǎng)站自己的話來說，就是互聯(lián)網(wǎng)上的這個“計(jì)算知識引擎”旨在“收集和保存所有客觀數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算可以計(jì)算的任何對象?！?/p>

這方面的巨大變化在于，雖然在WolframAlpha.com上進(jìn)行的搜索還是在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，但搜索結(jié)果幾乎可以馬上返回到瀏覽器中。比如說，鍵入“moon”這個簡單的字后，其系統(tǒng)就會開始一系列復(fù)雜的計(jì)算，計(jì)算月球相對地球的軌道以及一段歷史時期內(nèi)的平均距離。

沃爾夫勒姆研究公司（Wolfram Research Inc）的架構(gòu)師Schoeller Porter表示，之所以能近乎實(shí)時地進(jìn)行運(yùn)算，那是由于HPC部件的成本降低了。在過去，這種復(fù)雜運(yùn)算需要向超級計(jì)算機(jī)請求運(yùn)行批處理任務(wù)，請求占用幾分鐘、幾小時甚至一天的處理時間。這倒未必是由于運(yùn)算本身需要很長時間，而是由于處理資源極其昂貴。

你不妨親自試一下，往WolframAlpha搜索引擎中輸入一些運(yùn)算請求，比如詢問6個月后檀香山的潮汐（tides in honolulu in 6 months），還可以輸入類似以下一些運(yùn)算請求：International space station jun 24（國際空間站，6月24日）；skychart Timbuktu yesterday at 8:00pm（Timbuktu昨晚8點(diǎn)的星空圖）；y'' + sin y = x（數(shù)學(xué)表達(dá)式）；GATTAACCC（基因組序列）等。

在WolframAlpha上進(jìn)行搜索時，可以在桌面上隨意改變?nèi)魏我粋€變量。你會注意到，一些查詢所花的時間比另一些查詢來得長，這取決于超級計(jì)算機(jī)需要多久才能確定結(jié)果。

雖然谷歌搜索也依賴后端的超級計(jì)算機(jī)或集群，但它們所用的計(jì)算算法與WolframAlpha不一樣。谷歌搜索信息后提供相關(guān)鏈接，WolframAlpha提供給用戶的是實(shí)際信息，而不是鏈接，這些信息可能是從知識庫獲取的，也可能是由它執(zhí)行的運(yùn)算生成的。

天氣預(yù)報(bào)

英特爾公司高性能計(jì)算軟件解決方案部門主管Bill Magro表示，天氣預(yù)報(bào)在過去的20年經(jīng)歷了重大變化，從原來的僅僅提供天氣模式的概況變成翔實(shí)資料的顯示，比如每個風(fēng)暴中心的詳細(xì)資料。之所以發(fā)生這種變化，主要是由于天氣預(yù)報(bào)所需的龐大數(shù)據(jù)集現(xiàn)在可以放在桌面計(jì)算機(jī)的存儲器中，其處理能力也有了突飛猛進(jìn)。現(xiàn)在用于氣象的部分天氣模擬可以在地方電視臺的桌面計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，而不是只能在監(jiān)測天氣的政府機(jī)構(gòu)里才能進(jìn)行。

天氣預(yù)報(bào)的建模極其復(fù)雜，因?yàn)樘鞖庠陂_放的3D空間不斷變化，在溫度、位置、風(fēng)力及其他因素方面有成千上萬個變量。天氣模型取一個空間范圍，比如5000米的網(wǎng)格，一個數(shù)據(jù)點(diǎn)代表每個方向的每5000米，然后把它縮小到1000米，之后再縮小到500米。Bill Magro解釋說：“因?yàn)閺娜齻€維度來縮小，計(jì)算要求則提高了8倍。不僅僅數(shù)據(jù)更多了，所建立的模型也更詳細(xì)了。這其實(shí)說到底就是需要擁有足夠的內(nèi)存和足夠的計(jì)算能力?！?/p>

桌面計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始用于一些地方電視臺的天氣模擬。未來，隨著處理器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們可以在PC上運(yùn)行所有詳細(xì)的個人天氣預(yù)報(bào)。Bill Magro表示，到那時，個人可以使用桌面計(jì)算機(jī)來查看鄰近地區(qū)的天氣模式，或者根據(jù)遇到的天氣狀況和輸入到模型中的天氣狀況，預(yù)測6個月后你想去的度假地的天氣情況。

更多應(yīng)用緊隨而來

美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的高性能計(jì)算執(zhí)行董事David Bader展望未來認(rèn)為，在接下來的10年里，HPC的另外幾種應(yīng)用會出現(xiàn)在桌面端。

David Bader表示，現(xiàn)在有望發(fā)現(xiàn)社會網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中出現(xiàn)的新趨勢，或確認(rèn)影響社會網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素?？梢越o出相應(yīng)的建議措施，以改善諸多社會行為的能源效率，比如確定合理交通路線，以免堵塞；安排好計(jì)算機(jī)應(yīng)用的運(yùn)行時間，以便盡量減少能耗；監(jiān)測智能電網(wǎng)等。其他發(fā)展前景，包括利用大量的公共照片來構(gòu)建3D場景，利用發(fā)言人的身份證件實(shí)時記錄電視電話會議的文字內(nèi)容。

雖然專家們一致認(rèn)為，特大型超級計(jì)算機(jī)將在今后存在一段時間，但另外哪些傳統(tǒng)的HPC應(yīng)用最終會出現(xiàn)在桌面端，很值得期待。

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桌面端的特效

雖然電影行業(yè)仍然依賴傳統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)來制作特效，但好萊塢在很早之前就采用64位工作站把制作特效的一部分工作轉(zhuǎn)移到了桌面上。

電影《2012》和《阿凡達(dá)》等影片中的特效通常需要異常強(qiáng)大的處理能力，明眼人一看就知道，由計(jì)算機(jī)生成（以及消費(fèi)級軟件制作）的動畫瀑布與真實(shí)的瀑布有著明顯區(qū)別。工業(yè)光魔（Industrial Light and Magic）、Uncharted Territory工作室和夢工廠等電影公司依賴龐大的計(jì)算集群和多臺服務(wù)器來制作特效，單單制作一幀視頻就要花好幾個小時。

計(jì)算機(jī)成像（CGI）特效需要強(qiáng)大的計(jì)算能力。運(yùn)用技術(shù)讓光均勻地照射到物體上，然后一起移動，僅僅在一個鏡頭中，屏幕上同時就有數(shù)百萬個像素。Autodesk公司電影和電視行業(yè)經(jīng)理Bruno Sargeant表示，著色器模型也起到了幫助作用，它相當(dāng)于像素的催化劑，使用數(shù)學(xué)算法讓像素的移動顯得更逼真。

但高端工作站已經(jīng)開始發(fā)揮作用。Adobe和Autodesk這兩家公司都一馬當(dāng)先，讓桌面計(jì)算機(jī)也能處理好CGI特效，而不需要龐大的多臺服務(wù)器或集群。前者擁有64位Mercury渲染引擎，而后者一款名為Smoke的專業(yè)軟件將在今年11月中旬向Mac Pro計(jì)算機(jī)推出。Bruno Sargeant表示，速度快得多的總線、多核處理器、固態(tài)硬盤和GPU加速，這些已經(jīng)萬事俱備。

瑞典業(yè)務(wù)開發(fā)咨詢公司Artair Group的分析師Bjorn Andersson說：“電影特效領(lǐng)域的競爭極其激烈。一些電影的成功依賴它們首次使用了哪種開拓性、突破性的特效。這反過來依賴兩個因素：一是能使用多強(qiáng)大的原始計(jì)算能力？二是開發(fā)新的軟件功能?！?/p>