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2014年高端计算机制造行业基本情况和主要技术概况分析

    高端计算机是指在网络中承担核心计算、网络服务、中心存储等用途的中心设备,具有高性能、大存储、高可靠、可扩展、可管理、高安全等特征,显著区别于个人电脑(PC)、笔记本电脑、平板电脑、网络计算机(NC,指无本地硬盘,不具备本地处理功能的瘦客户机)等终端网络设备。

    高端计算机技术是国际公认的信息技术的战略制高点,是体现国家科技竞争实力和综合国力的重要标志。高端计算机不仅是国家关键科研项目不可或缺的战略装备,还是国民经济、社会生活正常运行所依赖的关键设备,直接关系到国家社会、经济和信息安全。高端计算机也是云计算技术提供计算服务、数据服务所需的核心设备。
智研咨询发布的《2014-2020年中国高性能计算机市场调查及投资评估报告》显示,由于高端计算机系统具有一定的技术复杂性和较强的专业性,故高端计算机系统既包括高性能计算机、通用服务器、存储产品等设备,也包括围绕高端计算机的平台软件、系统集成与技术服务。

    1946 年,第一代电子管计算机诞生,历经晶体管技术、集成电路技术、大规模集成电路技术的发展,计算机系统性能越来越高、体积越来越小、价格越来越低,应用越来越广泛,逐渐发展构建出全新技术领域——信息技术领域。

    1981 年,IBM 推出应用于家庭、办公室和学校的个人电脑(PC),并得到市场兼容机的广泛追随,随Intel 公司X86 系列中央处理器(CPU)的快速发展并广泛普及,计算机领域逐渐出现高端计算机和终端计算设备的行业分化。高端计算机先后出现SMP(对称多处理器)、MPP(大规模并行处理)、NUMA(非均匀内存访问)、Cluster(集群)等不同体系结构,而终端计算设备更是进一步分化出PC(个人电脑)、NC(网络计算机)、笔记本、平板电脑、手持终端等细分行业和形成越来越个性化和小型化的产品系列。

    目前,高端计算机处理能力不断提升,高端计算机的应用也得到了快速发展。在信息处理领域,随着数字、文本、图片、声音、视频均先后实现数字化,使得人类全部的信息交流形式均可以在统一的计算机和网络环境中处理;在科学计算领域,计算仿真已经成为人类继理论研究、实验验证之后的第三种实现技术创新的方法。高端计算机在人类社会生产生活中发挥越来越重要的作用。

    1、高性能计算机的基本概念和主要技术

    高性能计算机(HPC,High Performance Computer)泛指为满足大规模科学计算或商业计算需求而开发的计算机,其体系结构和软件算法都不同于普通计算机。高性能计算机领域的主要技术包括:

    (1)可重构计算(Reconfigurable Computing)技术:是指在软件的控制下,利用系统中的可重用资源(如可重构逻辑器件),根据应用的需要重新构造一个新的计算平台,达到或接近只有专用集成电路(ASIC)才具备的高性能。该技术结合了通用处理器和专用集成电路两者的优点,能够提供硬件级的效率和软件的可编程性。

    (2)高性能计算机操作系统(HPC Operating System)技术:是指建立在节点操作系统之上,整合了高性能计算集群中最基本的系统软件包,实现对集群资源的配置、管理、调度、控制和监视等功能。该技术主要包括集群监控技术、告警及预警技术、集群部署技术、资源管理技术、作业管理技术等。

    (3)高速互联技术:是指对高性能计算机节点进行大规模、高带宽、低延迟的高速互联。该技术主要包括40Gbps 以上高速板卡设计技术,高带宽高吞吐(Pb级)背板设计技术,500 端口以上高速互联交换机设计技术等。

    (4)绿色计算(Green Computing)技术:是指对高性能计算机的架构、硬件、软件、基础设施等进行优化设计,以提升计算效率,降低电能消耗,实现绿色环保的技术。

    (5)刀片服务器(Blade Server)技术:采用了高密度、模块化、全冗余、可扩展的架构设计,涉及高速信号布线、高速交换、刀片集群硬件管理等多项关键技术。

    2、通用服务器的基本概念和主要技术

    服务器(Server)一般是指网络中的处理能力强、可靠性高、服务响应能力好的一类计算机,它接收网络上的其他计算机(客户机)提交的服务请求,并提供相应的服务。当前服务器领域主流技术包括:

    (1)多核心(Multi-Core)技术:是指在单个物理封装内集成多个处理器核心,可同时并行执行多条软件线程,从而对外提供更高的处理性能。同时多核心技术使每个核心可以较低频率运行,使得封装多核心的物理处理器能运行在单个物理处理器插槽允许的功率限值之内。

    (2)硬件虚拟化技术:是指通过CPU 等计算机硬件来实现服务器系统对虚拟机分区的支持。相对于软件虚拟化和逻辑分区,可具有更好的性能、可靠性和安全性。

    (3)RAID 技术:RAID(Redundant Array of Independent Disks,独立磁盘冗余阵列)技术是指在阵列控制器的管理下,由若干硬盘按照一定要求和形式组成一个整体,以实现更高的存储容量、I/O 性能及数据的冗余和可靠性。

    (4)高级内存纠错技术:包含ECC(Error Checking and Correcting)、Chipkill等内存纠错技术,可以允许对内存访问时同时出现多位数据错误甚至是单个DRAM 芯片失效,能够大大提升服务器的可靠性。

    (5)冗余技术:是指为提高服务器系统可靠性而在设计中采用两重或多重硬件或软件保障技术,包括磁盘冗余、内存冗余、电源冗余、风扇冗余、BIOS冗余、双机和多机高可用系统(HA)、数据容灾设计等。

    (6)智能平台管理技术:是指一种基于母板管理控制器(BMC)的服务器硬件管理规范,该技术可以实现对服务器的温度、电压、风扇、硬件配置及关键部件的工作状态进行监视,并可实现远程开关机、远程更新软件等管理操作功能。同时结合定制的管理软件,可实现对服务器单机和集群的全面远程监控和管理。

    (7)节能技术:采用处理器智能降频、高效电源、高效VRM、智能风扇控制等技术,并结合专用节能软件的智能控制,使服务器运行功耗大幅降低,可显著地降低服务器系统使用成本。

    3、存储的基本概念和主要技术

    存储就是采取合理、安全、有效的方式将数据保存到某些介质上并能保证后续对该数据进行有效地访问。字义上看,“存储”有两方面的含义:一方面是数据临时或长期驻留的物理媒介;另一方面是保证数据完整安全存放的方式或行为。存储系统是指把这两个方面结合起来,提供一种数据存取的解决方案。存储系统的主要技术包括:

    (1)数据存储技术:主要包含DAS、NAS、SAN 和iSCSI 等技术,DAS(Direct Attached Storage,直接连接存储),是指一种将存储设备直接与服务器相连的存储模式;NAS(Network Attached Storage,网络附属存储)是指一种可提供跨平台文件共享功能的专用数据存储服务器,是一种以文件存储为主的存储方式;SAN(Storage Area Network,存储局域网)是一种构建存储网络的系统架构,它将服务器和远程存储设备(如磁盘阵列、磁带库等)连接起来,使得这些存储设备看起来就像是本地设备一样使用,主要是基于光纤通道的、面向数据块的存储;iSCSI(Internet SCSI),又常称为IP-SAN,是一种基于因特网及SCSI-3 协议的存储技术。

    (2)数据备份与容灾技术:数据备份技术是将客户应用系统产生的数据备份到其它存储设备中,建立起一个有策略的存储备份及数据恢复系统。当数据受到破坏,该技术能在最短的时间内将系统中丢失和破坏的数据全部恢复。数据容灾技术的基础是数据备份,但要避免传统数据备份技术的先天不足,通过全自动智能化管理,使得数据备份和灾难恢复时间大大缩短,实现在灾难发生时,可以全面、及时地恢复整个运行系统和数据。

    (3)并行分布式存储技术:并行分布式存储技术是近年来受到广泛重视和兴起的新型存储技术,主要应用于数十TB 至数百PB 量级数据存储,可以满足瞬间来自上百个服务器同时并行读写(并行I/O)单个巨型文件(例如TB 以上大文件)或者大量超小文件的要求。面对PB 级的海量存储需求,并行分布式存储技术突破了SAN 的性能瓶颈,具备非常高的I/O 性能,同时价格相对较低。根据技术发展趋势,并行分布式存储技术应用会更加普及。

    (4)海量结构化数据存储技术:海量结构化数据存储技术是指面向分析型、准实时型应用的海量数据仓库技术。该技术适合快速索引查询/统计、多表扫描查询/统计等工作,支持PB 级别的数据存储能力,具有“秒”级别的索引查询能力以及快速数据加载、高速数据并行扫描能力。

    (5)高密度存储服务器技术:高密度存储服务器技术可以实现高于普通服务器4倍以上的存储密度,并整合了管理、网络、供电和散热模块。存储服务器通常是独立的单元,在4U机架式设计多达80个磁盘位置,或者具备更高的磁盘密度,可以向用户提供高密度、低成本、易部署的存储解决方案,以满足高效率、低成本的存储业务需要。

    4、围绕高端计算机的软件开发、系统集成与技术服务的基本概念和主要技术软件是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合,一般来讲软件被划分为系统软件、应用软件和中间件等。系统集成是一种新兴的服务方式,就是通过计算机网络、管理监控等技术,将各个分离的软、硬件设备或系统,如服务器、存储、操作系统、数据库、网络通讯等的功能和信息集成到相互关联的、统一和协调的系统之中,实现集中、高效、便利的管理。技术服务是指拥有技术的一方为另一方解决特定技术问题所提供的各种服务。主要涉及技术有:

    (1)大规模分布式统一管理平台:采用平台化管理方式,建立整体资源管理架构,实现对性能、故障、配置、安全、能耗、调度和资产的统一管理。

    (2)基于行业应用特点的作业调度中间件:采用应用Portal 方式为用户提供一组资源集合的集中接入,支持用户与计算资源之间透明的、无缝的、安全的连接。在应用系统运行过程中,采用应用特征智能分析引擎,分析业务计算特征,优化调度策略,以提高资源利用效率。

    (3)面向服务的企业级业务管理:采用面向服务(SOA)的方式,基于IT基础架构库(ITIL)的服务管理最佳实践,将业务、管理和数据信息三方进行融合,实现资源与业务的关联管理。并可通过告警相关性分析,消除告警冗余信息以及告警风暴,以快速定位和解决故障。

    (4)基于角色的安全管理策略:系统内部支持多种用户认证方式(如用户密码、LDAP、USB Key、CA 等),并集成单点登录机制,基于角色的访问控制策略等技术,实现按用户权限、按部门、按地域的统一资源管理。该策略具有完善的安全审核机制,通信层采用SSL 加密传输机制,数据层可采用硬件加密机
制,并对用户关键数据进行加密管理,保证用户数据安全。

    (5)标准化规范化模块整合机制:基于OSGi 规范化模块机制,实现了一种面向服务构件的业务模型,该模型具有面向服务、插件式、动态性、易复用、易扩展、易部署等诸多特点。

    5、云计算的基本概念和主要技术

    在IT 领域,云计算是一种以计算、存储为核心的IT 硬件、软件乃至IT 基础设施资源以“服务”形式进行交付和使用的模式,也就是指用户可以通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的IT 资源;高端计算机,以及围绕高端计算机的软件、系统集成及技术服务领域,均属于云计算的核心技术领域。

    云计算的基本分类如下:

    (1)按云计算的服务属性分类

    云计算按照服务属性,通常分为IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)三类。IaaS 指提供机房(包含电力、UPS、空调、场地、安全管理等)、机柜、服务器裸机、裸存储的租赁服务,使用者无需具有专业的机房、设备知识,以及不必经历繁琐冗长的建设过程,即可以以租赁的方式获得这些基础设施资源。PaaS指软件开发平台或云计算系统平台(包含计算、存储、网络、操作系统、数据库、中间件、应用门户等等)的租赁服务,使用者无需自行建设、调试、以及自行拥有这些应用或开发平台,然而却可以根据自身的软件开发需要,动态弹性的,按需付费的,安全可靠地使用这样的软件开发平台或云计算系统平台。SaaS 指终端用户并不需要提前购买应用软件,就可以按照需要自由地使用,并完成自己的各种应用任务,仅仅需要按照实际使用的时间,或者实际获得的信息量而付出使用或租赁费用。

    (2)按云计算的应用属性分类

    云计算按照应用属性,可分为政务云、商业云和行业云等多种形式。

    ①政务云,是指为政府施政行为的信息化而建设一种云计算的服务形式。政务云主要体现在政府的社会管理、城市管理和民生服务三个方面。社会管理定位于以人(包括法人)为本,解决人的管理问题,通过人的行为与属性管理来构建社会秩序。城市管理用于物(建筑物及其他的城市部件)以及支撑物的地理信息管理,通过对物的有效管理,使之承载并适合城市中人的行为需要。民生服务的对象是市民,通过为市民提供便捷的服务,最大化提升民众的幸福感,核心是信息收集、整合以及信息的发布渠道。政务云的基础数据具有属地化属性特征。

    ②商业云,指按照市场化方式进行运作和对外提供服务的云计算形式。商业云就是建设一个公共的云计算平台,吸引各种软件厂商来租赁使用。品牌、访问速度、便捷性等是商业云计算平台的核心竞争力所在,但初期建设成本高、易受链路垄断影响、收益率偏低等是商业云计算面临的挑战。商业云的数据属性是远程的、可异地迁移的。

    ③行业云,泛指面向某一特定行业领域,或面向特定应用属性领域的云计算形式,既可能是商业云的表现形式,如大型互联网企业;也可能是政务云的延伸,如医疗、交通、食品安全等。

本文采编:CY207

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