目录

1       高性能计算的基本介绍. 3

1.1       高性能计算的定义. 3

1.1       高性能计算的历史. 3

1.2       高性能计算的未来. 3

1.2.1       网格计算. 3

1.2.2       云计算. 3

2       主要高性能计算中心概述. 3

2.1       国外高性能计算中心的情况. 3

2.2       国外应用成绩. 3

2.2.1       纳米技术. 3

2.2.2       核聚变、激光技术. 3

2.2.3       磁重联技术. 3

2.2.4       艾滋病毒. 3

2.2.5       暗物质. 3

2.2.6       铜反应. 3

2.2.7       流体动力学. 3

2.2.8       极端气候模拟. 3

2.2.9       超新星研究. 3

2.2.10         生命和半衰期. 3

2.2.11         从光合作用到新燃料. 3

2.2.12         聚变加速. 3

2.2.13         模仿火山爆发应激气候. 3

2.3       国内高性能计算中心的情况. 3

2.4       国内应用成绩. 3

2.4.1       石油领域. 3

2.4.2       航空领域. 3

2.4.3       核电领域. 3

2.4.4       航天领域. 3

2.4.5       土木市政领域. 3

2.4.6       钢铁领域. 3

2.4.7       船舶领域. 3

2.4.8       汽车领域. 3

2.4.9       机械领域. 3

2.5       领先技术. 3

2.5.1       中科院计算生物学重点实验室揭牌. 错误！未定义书签。

2.5.2       我国首台千万亿次超级计算机年内将换中国芯. 3

2.5.3       我国科学家完成普通野生稻全基因组框架图谱绘制. 3

3       高性能计算与物联网应用专题分析. 3

3.1       物联网简介. 3

3.2       物联网与高性能计算的联系. 3

3.3       主要技术. 3

3.4       成绩与贡献. 3

3.5       发展趋势. 3

3.6       中国现状. 3

3.7       物联网的风险提示. 3

3.8       信息安全. 3

高性能计算的基本介绍

1.1    高性能计算的定义

简单来说高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计算资源操作）的计算系统和环境，主要用于解决计算量相当大的问题。

1.1    高性能计算的历史

 40年代开始的现代计算机发展历程可以分为两个明显的发展时代：串行计算时代、并行计算时代。

并行计算机是由一组处理单元组成的，这组处理单元通过相互之间的通信与协作，以更快的速度共同完成一项大规模的计算任务。因此，并行计算机的两个最主要的组成部分是计算节点和节点间的通信与协作机制。并行计算机体系结构的发展也主要体现在计算节点性能的提高以及节点间通信技术的改进两方面。
IBM360大型主机（Mainframe）

 60年代初期，由于晶体管以及磁芯存储器的出现，处理单元变得越来越小，存储器也更加小巧和廉价。这些技术发展的结果导致了并行计算机的出现，这一时期的并行计算机多是规模不大的共享存储多处理器系统，即所谓大型主机（Mainframe）。IBM360是这一时期的典型代表。

1976年CRAY-1 问世以后，向量计算机从此牢牢地控制着整个高性能计算机市场15 年。CRAY-1 对所使用的逻辑电路进行了精心的设计，采用了我们如今称为RISC 的精简指令集，还引入了向量寄存器，以完成向量运算。

80年代末到90年代初，共享存储器方式的大规模并行计算机又获得了新的发展。IBM将大量早期RISC微处理器通过蝶形互连网络连结起来。人们开始考虑如何才能在实现共享存储器缓存一致的同时，使系统具有一定的可扩展性（Scalability）。90年代初期，斯坦福大学提出了DASH 计划，它通过维护一个保存有每一缓存块位置信息的目录结构来实现分布式共享存储器的缓存一致性。后来，IEEE 在此基础上提出了缓存一致性协议的标准。
一个基于NUMA架构的SMP服务器

90年代以来，主要的几种体系结构开始走向融合。属于数据并行类型的CM-5除大量采用商品化的微处理器以外，也允许用户层的程序传递一些简单的消息；CRAY T3D是一台NUMA结构的共享存储型并行计算机，但是它也提供了全局同步机制、消息队列机制，并采取了一些减少消息传递延迟的技术。

今天，越来越多的并行计算机系统采用商品化的微处理器加上商品化的互连网络构造，这种分布存储的并行计算机系统称为机群。国内几乎所有的高性能计算机厂商都生产这种具有极高性能价格比的高性能计算机，并行计算机就进入了一个新的时代，并行计算的应用达到了前所未有的广度和深度

1.2    高性能计算的未来

1.2.1  网格计算

二十世纪七八十年代日本科学家曾经提出研制“第五代计算机”，在全世界引起了轰动，卷起了一场智能计算机的高潮，但是随着时间的流逝，高潮却逐渐消逝。而美国国防部高级研究计划局，建立的ARPANET（Advance ResearchProjects Agency Network）也就是后来的因特网却成为二十世纪对计算机行业以及各个行业影响最大的技术，正是随着因特网的发展，一种新的计算方式－网格计算流行起来了。

网格计算是最近非常热门的一种基于网络的计算，尽管网格计算与传统的高性能计算的计算方式大相径庭，但却有可能引起高性能计算的新的革命。所谓网格计算，是指将分布的计算机组织起来协同的解决科学与工程计算问题。理解网格的一个很好的类比是电力网，用电者不需要知道自己用的电是哪个发电厂送出的。像使用电力资源那样使用计算资源成为网格研究者们的一个梦想，当然这还有很远的路要走。网格一词产生于二十世纪九十年代中期，而网格计算的概念则是在1995 年的I-WAY（Information Wide Area Year）项目中被提出的。I-WAY 项目使用ATM 将北美17 个不同位置的60 多个超级计算中心、虚拟现实研究中心以及应用开发中心连接起来，进行大规模科学模拟、协同工程等相关的研究和开发。著名的Globus 项目是I-Way 项目的延续，Globus项目是美国阿贡国家实验室的研究项目，在初始阶段有十多所大学和研究机构参如该项目的研究。Globus 对信息安全、资源管理、信息服务、数据管理以及应用开发环境等网格计算的关键理论和技术进行了广泛的研究，推出网格计算工具包Globus Toolkit，能够用来规划和组建大型的网格试验和应用平台，开发适合大型网格系统运行的大型应用程序。Globus 工具包是Globus 项目最重要的实践成果，2005 年推出的4.0 版实现了 Web Services Resource Framework (WSRF) 和 Service Notification (WSN)标准。

1.2.2  云计算

最近热门的云计算更是以后IT行业的发展趋势。云计算(Cloud Computing)是分布式处理(Distributed Computing)、并行处理(Parallel Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。 　

云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。 　　

这可是一种革命性的举措，打个比方，这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。

它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。 　

　云计算的蓝图已经呼之欲出：在未来，只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。从这个角度而言，最终用户才是云计算的真正拥有者。

2         主要高性能计算中心概述

2.1    国外高性能计算中心的情况

1.巴塞罗那超级计算中心（BSC）是欧洲最大的超级计算中心，成立于20##年7月，由西班牙前超级计算中心——巴塞罗那并行计算欧洲中心发展而成，负责托管由Blade Center JS20刀片服务器组成的MareNostrum超级计算机。该中心对整个欧洲地区的深度计算和电子科学服务提供有力支持，它的宗旨是“研究、开发并管理信息，以促进科学发展”。中心超级计算机共含有2,282个2.2Ghz PowerPC970处理器，峰值浮点运算能力为31.363 万亿(TFlops)每秒。

2.美国圣地亚哥超级计算中心（SDSC）由美国国家自然科学基金于1985年投资1.75亿美元建立，位于加利福利亚大学内。SDSC在高端计算、网格计算、生物信息学、地理信息学等领域处于领先地位，具有很高的国际声誉，特别是在计算生物学和生物信息学领域，拥有世界领先水平。SDSC通过提供高性能计算硬件资源和技术、软件资源和技术和学科交叉专业经验拓展科学研究的深度和广度。
SDSC参加了美国多个大型科学和工程项目，以下是几个重点研究领域：
　　(1)综合生物科学，如神经生物学领域的先进三维显微、复杂生物系统的细胞信号传输、基因靶标选择、克隆、表达和结构测定、蛋白序列结构分析工具等。
　　(2)数据和知识系统，SDSC正在建设一个国家级的数字图书馆。
　　(3)高性能计算机网格与集群计算，SDSC参与了美国多个网格项目，如TeraGrid、NPACI等。
SDSC通过大力发展计算科学和高性能计算，推动国际科学和工程探索。随着这一传统宗旨逐渐步入先进计算设施的时代，SDSC已经成为科学、企业、学术和企业的战略资源，担负着数据管理、网格计算、生物信息、地理信息、高端计算以及其他科学工程学科的领导地位。SDSC的使命是延伸科学成就，向社会提供高性能硬件技术、集成软件技术以及深度的跨学科专业技能。

3.美国国家超级计算应用中心（NCSA）是美国国家科学基金会(NSF)所属的五个中心之一，由伊利诺斯州大学筹建，创建于1986年1月。NCSA在高性能计算、网络、存储和数据分析领域具有较高国际声誉。它被一贯认为是创新性的科学工程系统和软件的先锋。
NCSA的宗旨是与各种研究领域合作，创建先进的计算设（cyberinfrastructure），探索新的科学发现。它的专业特长是应用最先进的计算机，构建融合软件应用、可视化工具、数据挖掘和分析工具的工作系统。这些创新系统将成为未来先进计算设施的核心，把分散系统连通成为单一、无缝的资源。NCSA National Science Foundation的高性能计算网格--TeraGrid计划的关键合作伙伴，该计划投资了1亿美元，帮助研究人员远程访问最快速的、顶级的超级计算机、可视化工具、应用软件、传感器、仪器，以及大型存储设备。

4.美国匹兹堡超级计算中心(PSC)是Carnegie Mellon大学、Pittsburgh大学以及Westing house Electric公司共同组建的。成立于1986年，是美国国家科学基金会（NSF）所属五个超级计算中心之一，得到多个联邦部门以及Pennsylvania州政府和私人企业共同的支持。其使命是向国家社会提供一流的计算资源，支持科学工程领域主要问题的解决；推动计算科学、计算技术以及国家信息设施的发展；向研究人员传授高性能技术以及它们的使用方法；帮助私人部门，开发高性能计算软件，促进他们的竞争优势。
PSC的研究活动一部分是与用户合作开展的，另一部分是内部开展的。内部研究活动主要集中在硬件资源的合理有效配置和通用软件平台构建两个方面，目的是为用户提供更好的机时和增值服务。目前有四个小组在开展研究工作，分别是网络研究组、生物医学研究组、高性能计算研究组和NLANR工程服务组。
PSC的软件资源非常丰富，包括计算化学、工程计算、生物医学数据库、核酸和蛋白质序列分析、神经科学、材料科学、数学和统计、分子结构计算软件包。

5.芬兰科学计算中心（CSC）隶属于芬兰教育部，为芬兰的综合性大学、理工学院、研究机构和企业提供科学计算、信息技术服务，是芬兰面向科学研究的IT中心，具有31年的历史，主要由信息科技和其他广泛的科技领域的专业人才组成。CSC积极参与网格计算的研发，并参与了欧洲多个网格计划，分别是：DEISA（欧洲用于超级计算的分布式基础设施）、REALISTE（通过e-science进行的现实环境和生命科学模拟）、BIGGER（欧洲生物信息学和基因网格）等。
CSC非常有特色的是其数据服务，既包括基础研究所用的诸如化合物分子库，也包括数字图书馆，如芬兰理工学院中央图书馆系统等。CSC的主力计算节点是IBM eServer Cluster 1600，峰值浮点计算能力为每秒2.2万亿次。CSC的软件非常丰富，有200多种软件安装在超级计算机和服务器上。

6.爱丁堡并行计算中心（EPCC）成立于1990年，是隶属于爱丁堡大学的研究机构。该机构的主要任务集中新型计算（包括高性能计算和网格），以及为工业界和学术界提供计算应用所带来的优势。此外，EPCC也对计算机科学开展部分研究，目前该研究与应用所占比重还较小。EPCC目前共有75名员工在为英国提供国家级的HPC服务，并在过去的5年中为100家左右的英国和欧洲公司，以及20个英国本土的研究团体提供了相关服务。此外，EPCC提供的研究访问者项目为爱丁堡每年从欧洲大陆吸引约50名研究人员。

7.韩国科学技术信息研究所（KI STI）成立于1960年，成立之初名为韩国科学与技术信息中心，后经过数次更名和重组最终于20##年成为了今天为HPC领域所熟悉的这一名称。KISTI将其任务定位在通过其全球顶级的科学和技术设施，来为全球科学和技术研究提供高附加值信息、并帮助其提升研究环境、以及促进科学的工业化；以此成为全球重要的科学与技术力量。作为KISTI的一个重要组成部分，其下属的超级计算中心所起到的主要作用是建立和开发超级计算基础设施以及操作系统环境。具体任务包括：采用和提供高性能超级计算系统、建立和运作国家科学与技术研究网络、开发和应用网络研发应用技术。

8.理化学研究所(RIKEN)是拥有90年历史的日本唯一一家研究自然科学的综合研究所。其研究包括物理、化学、生物学、工学、医学、生命科学、材料科学、信息科学等领域内的基础研究和相关应用开发。RIKEN每年从政府获得约52亿人民币的资金投入和约合8亿人民币的国家项目研究费用于维持RIKEN的各类活动。目前RIKEN总共有约6000名员工，其中研究生及、民间企业派遣的科研人员约占3000人左右。作为RIKEN的下属部门之一，计算与通讯高级中心（ACCC）的主要任务是为RIKEN的研究人员提供高性能计算资源，以及确保这些资源可以有效运用的技术支持。

9.帕德博恩并行计算中心（PC2）是德国帕德博恩大学下属的一家跨学科研究机构,同时也是为北莱茵-威斯特法伦州提供计算资源和并行计算的中心。该中心的主要目标是为本国和全球研究项目提供具有扩展性的高性能计算机和存储系统，并对这些相关技术和应用进行不断提升以满足各类研究项目的计算需要。此外，帕德博恩并行计算中心的研究中心一直与来自工业界和学术界的合作伙伴保持着密切的合作关系。

10.加拿大共享分级学术研究计算网络（SHARCNET）成立于 20## 年，最初是由七所高等教育机构组成的多功能高性能计算组织。建立该中心的目的是为了通过扩大各类研究对于HPC的使用需求帮助其达到不断创新和提升竞争优势。近年来，SHARCNET及其资源的重要性日趋凸现，各类研究人员及项目对于其资源的依赖性也日渐增加；由此带来了用户数量，尤其是在非传统HPC学科领域中的用户数量的不断增加。如今，SHARCNET已成长为加拿大首屈一指的HPC中心，其拥有数量最大的合作伙伴、最完善的支持服务、以及数量庞大的用户群—其中覆盖到150个研究领域，有超过3400名用户，以及超过600个研究团队。目前，SHARCNET的学术合作伙伴已由最初的7家扩展到了17家，并覆盖了从安大略省北部到西南部1800公里的范围。

2.2    国外应用成绩

2.2.1  纳米技术

现在可以开始了解材料的行为一直到纳米尺度，在那里，即使是单个原子的运动有时也可以改变机械或电气性能。模拟金属纳米线拉伸过程。使用高性能计算机，可以减缓模拟，看看到底是什么，在拉伸的时候，如何多次发生变化。

2.2.2  核聚变、激光技术

该项目是由洛斯阿拉莫斯国家实验室与劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同参与的。该项目是人类历史上最重要的激光技术，在实验室中取得核聚变能源。规模动力学模拟在三维激光等离子体相互作用的激光散斑。在走鹃超级计算机的协助下，可以实现前所未有的规模，速度和保真度。

2.2.3  磁重联技术

方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结现象。在此过程中，磁能可转化为其他能量。涉及到各种形式的等离子体的磁场能量快速转换动能。通过高性能计算机，使这些类型的动态变化都在方便的观测形态下，从而了解磁重联的过程。

2.2.4  艾滋病毒

这是一个彩色树组序列的艾滋病毒，收集后找到传染艾滋病毒的原因。基本的计算问题，是要这个序列数据（这里的10442-3873核苷酸字符串），找到该病毒如何随时间演变模型中的所有序列。当树上的节点附近生成另一个节点，这意味着有一个病毒是另一种病毒类似。通过高性能计算机，找到了一个病人的序列很少与另一位病人的序列重叠。其中一个重要目标是要找出可能存在疫苗的目标地区。

2.2.5  暗物质

暗物质和暗能量是宇宙的主要组成部分。宇宙的基本构成是由：23％的暗物质（其中很大一部分是所谓的光环在局部的团块）73％暗能量组成。在该项目中宇宙的构成物质分布在有史以来（由走鹃超级计算机运行的）规模最大的高清晰度模拟宇宙中。走鹃超级计算机模拟的宇宙综合数据库将成为研究暗物质科学的重要组成部分。

2.2.6  铜反应

用可扩展并行短程分子动力学，计算机代码，模拟过程，如固体中冲击波在纳秒的时间尺度上。许多现象基本材料需要在长度和时间尺度上超越这些地方，目前获得的分子动力学（MD）模拟，随着方法的改进，使更多的现实空间和时间尺度模拟成为可能。

2.2.7  流体动力学

在流体动力学领域了解湍流，流体的压力下的行为，仍然是物理学中未解决的问题之一。复杂条件下，作为那些在1A型超新星爆炸的早期阶段出现。有一种复杂的现象与这些活动有关的，这是一种相关的超新星建模重要的未决问题。通过高性能计算机有助于在使用大型流体动力学结构的规范和处理复杂问题方面的相关研究。

2.2.8  极端气候模拟

在地球45亿年的历史中，气候总在冷热间徘徊。该项目通过美洲豹超级计算机可以完整连续的模拟这个过程，利用全球气候模型，包括大气之间的相互作用耦合，海洋，陆地之间的移动，提供有关全球气候变化根源和影响的珍贵数据。

2.2.9  超新星研究

Ia型超新星在性质上是最大的热爆炸，规模之大远超过太阳以及其他生命元素，这些爆炸的恒星最神秘的地方在于它们的爆炸方式。美国的高性能计算机模拟运行了Ia型超新星的爆炸过程，模拟出了在爆炸的不同时间段产生出的放射性碎片等。这些资料为美国宇航局的相关研究提供了宝贵的数据。

2.2.10 生命和半衰期

碳-14的衰变速度永远慢于它的同位素，使得研究人员可以通过植物或者生物中所含有的碳-14元素追溯到六万年前。碳-14的原子核内有6个质子与8个中子，在使用高性能计算机之前，研究人员只能考虑两个核子相互作用，因为需要描述不同的组合数量非常大，这是一个内存密集型的计算。通过高性能计算机研究人员能够更深入的了解碳-14的半衰期为何如此之长。

2.2.11 从光合作用到新燃料

该项目是由橡树岭国家实验室的美洲豹超级计算机与美国田纳西州大学的挪威海怪超级计算机共同参与的。替代能源是全球的一个热点话题，也是全人类必须要关注的话题，纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的人类最宝贵的天然可再生资源。找到如何合理分解释放葡萄糖就有希望利用植物作为一种新燃料。

2.2.12 聚变加速

很少有代码要求比现有聚变加速粒子更快的I/O和更大的规模。例如，GTC和XGC-1是运行在NCCS Jaguar Cray XT5超级计算机12000多个内核上的。面对最大数据集的运行，超级计算机的速度总是需要不断提高的。

2.2.13 模仿火山爆发应激气候

火山喷发，重力气溶胶粒子通常会在2至3年之内回落。相反，人为排放的有害物质长期持续，并可能改变未来的气候。有几种类型的气体，包括二氧化碳，是火山爆发时喷出，二氧化硫的排放和硫酸盐气溶胶的产生尤其重要。如果通过超级计算机可以模拟运行该大气环境模型对于火山喷发的灰尘反应，便可以预测出该大气环境对于人为长期排放的反应。

2.3    国内高性能计算中心的情况

1.北京市计算中心建立于一九七三年，是国内最早一批计算中心之一，是中国最早、最具影响力的从事计算机应用技术研究及推广的机构，服务对象则涉及工业、商业、交通、能源、环保金融、税务、社会事务等多个领域。北京市计算中心自成立以来，完成了上百项国家和北京市政府有关部门委托的研究项目和面向多种用户的服务型项目。先后获得国家及省部级成果奖30多项，拥有了200余项国际、国内领先的技术和产品，为中国计算机的普及、应用和发展做出了杰出贡献。

2.上海超级计算中心（Shanghai Supercomputer Center）成立于20##年12月，由上海市政府投资建设，座落于浦东张江高科技开发园区内。

上海超级计算中心是国内第一个面向社会开放，资源共享、设施一流、功能齐全的高性能计算公共服务平台，目前拥有曙光4000A（20##年世界排名第十）和“魔方”（曙光5000A，20##年世界排名第十、亚洲第一）等3台超级计算机，同时配备丰富的科学和工程计算软件，致力于为国家科技进步和企业创新提供高端计算服务。

3.无锡超级计算中心成立于20##年11月，是由无锡市政府、滨湖区政府、无锡（国家）工业设计院三方共同投资建设的公共技术服务平台，坐落于无锡（国家）工业设计园内。 无锡超级计算中心是江苏省内首个面向社会开放、资源共享、功能齐全的高性能计算应用服务平台。20##年12月，通过江苏省科技厅平台验收，授牌为“江苏省超级计算技术应用服务平台”，并确定为江苏省重要科技基础设施之一。

4.国家超级计算深圳中心（深圳云计算中心），总投资12.3亿元，一期建设用地面积1.2万平方米，总建筑面积4.3万平方米。主机系统由中国科学院计算技术研究所研制、曙光信息产业（北京）有限公司制造，20##年5月经世界超级计算机组织实测确认，运算速度达每秒1271万亿次，排名世界第二，该项目是国家863计划、广东省和深圳市重大项目。　国家超级计算深圳中心（深圳云计算中心）系深圳市人民政府批准成立的企业化管理事业单位，下设：系统运行部、研究开发部、技术协作部、行政管理部，专业技术和管理人员90%具有硕士或博士学位，多数具有海外留学经历，预计20##年将建成拥有上百高端人才的科技创新平台。国家超级计算深圳中心（深圳云计算中心）立足深圳、面向全国、服务华南、港、澳、台及东南亚地区，将承担各种大规模科学计算和工程计算任务，同时以其强大的数据处理和存储能力为社会提供云计算服务，将建成功能齐全、平台丰富、高效节能、国际一流的高性能计算研究开发中心和云计算服务中心。

2.4    国内应用成绩

2.4.1  石油领域

由中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司（BGP）与浪潮集团合作完成CPU/GPU异构并行叠前时间偏移地震信息处理软件（PSTM）成功应用于中石油委内瑞拉站点，由浪潮提出的“CPU-GPU协同计算”的HPC计算架构，成功打造了我国坚持应用创新引领高性能发展的经典案例，此举不仅满足了国内油气勘探需求，也为中石油集团参与国际竞争，提升我国在国际石油市场话语权奠定了坚实的基础。

2.4.2  航空领域

研究课题：大型客机C919机翼设计

课题来源：大型飞机重大专项

用户单位：中国商用飞机有限公司上海飞机设计研究所

2.4.3  核电领域

研究课题：核电厂新燃料贮存格架抗震及跌落分析

项目来源：深圳中广核工程设计有限公司上海分公司

用户单位：深圳中广核工程设计有限公司上海分公司

2.4.4  航天领域

研究课题：扫描驱动机构动力学计算和参数优化

项目来源：上海航天某研究所(咨询项目)

用户单位：上海超级计算中心

2.4.5  土木市政领域

研究课题：隧道结构与轨道车辆耦合系统振动分析

项目来源：上海交通大学机械与动力工程学院

用户单位：上海交通大学机械与动力工程学院

2.4.6  钢铁领域

研究课题：钢板矫直过程的三维数值仿真模拟

项目来源：宝钢研究院(咨询项目)

用户单位：上海超级计算中心

项目名称：某产品变薄拉伸成形数值仿真

项目来源：企业科研项目

用户单位：宝钢研究院

2.4.7  船舶领域

研究课题：CFD实用化课题中桨舵干扰的研究

项目来源：工信部

用户单位：中国船舶工业集团第708研究所

2.4.8  汽车领域

项目名称：面向制造企业创新产品开发及节能增效的信息化支撑技术研究与应用

项目来源：上海市科委项目

用户单位：上海汽车集团股份有限公司技术中心

2.4.9  机械领域

项目名称：某型号燃气轮机转子装配变形分析与控制研究

项目来源：校企合作项目

用户单位：上海交通大学

2.5    领先技术

2.5.1  我国首台千万亿次超级计算机年内将换中国芯 

我国首台千万亿次超级计算机“天河一号”预计今年下半年安装由我国自行设计制造的“飞腾”计算机中央处理器（CPU）芯片。该芯片由国防科技大学专门为“天河”系列计算机量身定制，已达到世界主流服务器CPU的水平。安装“飞腾”芯片后，“天河一号”的峰值运算速度将在目前每秒1206万亿次的基础上有所提升，其实际运算速度也将提高到每秒千万亿次。由于关键芯片完全“国产化”，“天河一号”更确保了信息安全。

2.5.2  我国科学家完成普通野生稻全基因组框架图谱绘制

中科院昆明植物研究所高立志团队运用新一代高通量测序技术以及基于高性能超算的生物信息学分析，完成了普通野生稻基因组高覆盖的序列测定、拼接和组装工作，获得了普通野生稻全基因组从头测序的框架图。研究表明，普通野生稻的基因组大小约为3.70亿个碱基对，含有的基因总数目约为4.0万个，测序深度已达基因组大小的70倍，测序结果已覆盖92%的普通野生稻全基因组，基因覆盖度约为90%以上。目前，项目组正在加紧绘制普通野生稻的基因组精细图谱。 

3         高性能计算与物联网应用专题分析

3.1    物联网简介

物联网即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理；是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。20##年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。

“IOT”——Internet of things——物联网的缩写，所谓物联网，是指通过在动物、植物、机器和其它物品上面安装传感器或者是RFID（电子标签），通过网络接口与网络相连，使物体具有智能，进而编织起另一个移动网络。互联网与物联网相比，前者是人与人之间的沟通与对话，而后者则是实现物体与物体之间的对话。所谓“物联网”，指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结。

合起来而形成的一个巨大网络。其目的，是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。 物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的.其中非常重要的技术是RFID电子标签技术.

以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。在这个网络中，系统可以自动的、实时的对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

物联网又称“传感网”，以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给我们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与我们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。

无线传感网络正是在这样的背景下应运而生的全新网络技术，它综合了传感器、低功耗、通讯以及微机电等等技术，可以预见，在不久的将来，无线传感网络将给我们的生活方式带来革命性的变化。

定义：随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。

英文名：Wireless Sensor Networks；缩写：WSN

功能：借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。

目前较为成型的分布式网络集成框架是EPCglobal提出的EPC网络。EPC网络主要是针对物流领域，其目的是增加供应链的可视性（visibility）和可控性（control），使整个物流领域能够借助RFID技术获得更大的经济效益。

3.2    物联网与高性能计算的联系

物联网是一个百年工程，未来可能会完全改变我们认知这个世界的方法。物联网在采集信息的同时，也会进行信息的大量处理，对计算性能的要求也随之更高。目前比较热门的云计算的技术还不成熟，无法与高性能计算相比，处理这么多的信息必须依靠高性能计算机(HPC)。

举个实际的例子，在机场安检过程中，需要快速有效的对乘客的人脸进行识别，这需要无比的强大计算能力。而且，如果想要在机场把乘客的脸部特征数据扫描下来后，数据库里就能马上显示出相关联信息，这就需要通过高性能计算和快速信息分布来解决。

目前的高性能计算还只是在局域网里处理数据，未来发展的趋势，还是会通过新一代互联网，将处理得到的信息实时传递给终端用户。

3.3    主要技术

1. RFID: 电子标签属于智能卡的一类，物联网概念是1998年MIT Auto-ID中心主任Ashton教授提出来的，RFID技术在物联网中重要起“使能”（Enable)作用；

2.传感网：借助于各种传感器，探测和集成包括温度、湿度、压力、速度等物质现象的网络；

3. M2M：这个词国外用得较多，侧重于末端设备的互联和集控管理，X-Internet，中国三大通讯营运商在推M2M这个理念；

4. 两化融合：工业信息化也是物联网产业主要推动力之一，自动化和控制行业是主力，但目前来自这个行业的声音相对较少。

3.4    成绩与贡献

现在物联网在中国各地已经有所应用。

典型案例有上海浦东国际机场传感网络应用项目：

无锡传感网中心的传感器产品在上海浦东国际机场会被成功应用，首批价值1500万元的传感安全防护设备销售成功，这套设备由10万个微小的传感器组成，散布在墙头墙角墙面和周围道路上。传感器能根据声音、图像、震动频率等信息分析判断，爬上墙的究竟是人还是猫狗等动物。仅浦东机场直接采购传感网产品金额为4000多万元，加上配件共5000万元。若全国近200家民用机场如果都加装防入侵系统，将产生了上百亿的市场规模。

手机支付已经成为社会行讨论的一个热点。通过物联网，人们可以使用手机购买电影片，刷公交地铁等等，而无需再携带沉重又不安全的钱包出行。目前，深圳、北京、上海等地已经开始实行一系列的手机支付项目，给广大市民带来极大的方便。

3.5    发展趋势

从目前来看，物联网存在九大应用领域，分别是智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康。根据美国咨询研究机构Forrester预测,到20##年,全球物物互联的业务与现有的人人互联业务之比将达到30:1,因此,"物联网"被称为是下一个万亿级的通信业务。根据预测,到20##年前后,我国的传感网终端将达到数千亿个;到20##年,传感器将在生活中无处不在。目前,无锡传感网中心的传感器产品已在上海浦东国际机场和上海世博会被成功应用,首批价值1500万元的传感安全防护设备销售成功。
目前国内物联网的基本产业链条已经初步形成：
    (1)二维码和RFID(二维码溯源的新大陆;RFID芯片、电子标签与读写器的远望谷、上海贝岭及子公司阿法迪、厦门信达子公司信达汇聪);
    (2)传感器(华东科技子公司南京高华科技;MEMS封装的长电科技);
    (3)TD-SCDMA芯片与SIM卡(大唐电信、东信和平、SiP封装的长电科技)。

我们认为物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。EPOSS预测未来物联网的发展将经历四个阶段，20##年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，20##-20##年物体互联，20##-20##年物体进入半智能化，20##年之后物件进入全智能化。
RFID是物联网发展的排头兵：易观国际预测，20##年中国RFID市场规模将达到50亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过38亿元、读写器接近7亿元、软件和服务达到5亿元的市场格局。
MEMS传感器市场前景广阔：MEMS传感器的主要优势在于体积小、大规模量产后成本下降快，根据ICInsight最新报告，预计在20##年至20##年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率(CAGR)，与20##年的41亿美元相比，五年后将实现97亿美元的年销售额。智能终端与集成电路产业有望迎来发展新机遇：物联网时代，每个物体上都要加装一个甚至多个芯片，家用电器的智能化是发展趋势。集成电路产业规模也将迎来发展新机遇。中科院上海微系统与信息技术研究所副所长、中科院无锡高新微纳传感网工程中心主任刘海涛自豪的说。目前，我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，从繁华的城市到偏僻的农村，从海岛到珠穆朗玛峰，到处都有无线网络的覆盖。无线网络是实现“物联网”必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。

3.6    中国现状

而在“物联网”这个全新产业中，我国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力。中科院早在１９９９年就启动了传感网研究，与其它国家相比具有同发优势。该院组成了２０００多人的团队，先后投入数亿元，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站等方面取得重大进展，目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。

业内专家表示，掌握“物联网”的世界话语权，不仅仅体现在技术领先，更在于我国是世界上少数能实现产业化的国家之一。

中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心（以下简称‘无锡传感网中心’），是国内目前研究物联网的核心单位。今年８月７日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了把传感网络中心设在无锡、辐射全国的想法。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。江苏省委省政府接到指示后认真落实总理的要求，热情拥抱“物联网”，突出抓好平台建设和应用示范工作，并迅速形成了研发安全感与产业突破的先发优势。无锡市则作出部署：举全市之力，抢占新一轮科技革命制高点，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地。

3.7    物联网的风险提示

从目前国内的发展水平来看,仍存在瓶颈:

一是RFID高端芯片等核心领域无法产业化,国内RFID以低频为主;

二是国内传感器产业化水平较低,高端产品国外厂商垄断;

三是实现物物互联的数据计算量庞大,更需要算法的革命。

3.8    信息安全

物联网的安全和互联网的安全问题一样，永远都会是一个被广泛关注的话题。由于物联网连接和处理的对象主要是机器或物以及相关的数据，其“所有权”特性导致物联网信息安全要求比以处理“文本”为主的互联网要高，对“隐私权”(Privacy)保护的要求也更高（如ITU物联网报告中指出的），此外还有可信度(Trust)问题，包括“防伪”和DoS（Denial of Services）（即用伪造的末端冒充替换（eavesdropping等手段）侵入系统，造成真正的末端无法使用等），由此有很多人呼吁要特别关注物联网的安全问题。

物联网系统的安全和一般IT系统的安全基本一样，主要有8个尺度： 读取控制，隐私保护，用户认证，不可抵赖性，数据保密性，通讯层安全，数据完整性，随时可用性。 前4项主要处在物联网DCM三层架构的应用层，后4项主要位于传输层和感知层。其中“隐私权”和“可信度”（数据完整性和保密性）问题在物联网体系中尤其受关注。如果我们从物联网系统体系架构的各个层面仔细分析，我们会发现现有的安全体系基本上可以满足物联网应用的需求，尤其在其初级和中级发展阶段。

物联网应用的特有（比一般IT系统更易受侵扰）的安全问题有如下几种：

　　1. Skimming：在末端设备或RFID持卡人不知情的情况下，信息被读取

　　2. Eavesdropping: 在一个通讯通道的中间，信息被中途截取

　　3. Spoofing：伪造复制设备数据，冒名输入到系统中

　　4. Cloning: 克隆末端设备，冒名顶替

　　5. Killing:损坏或盗走末端设备

　　6. Jamming: 伪造数据造成设备阻塞不可用

　　7. Shielding: 用机械手段屏蔽电信号让末端无法连接

主要针对上述问题，物联网发展的中、高级阶段面临如下五大特有（在一般IT安全问题之上）的信息安全挑战：

　　1. 4大类（有线长、短距离和无线长、短距离）网路相互连接组成的异构（heterogeneous）、多级(multi-hop)、分布式网络导致统一的安全体系难以实现“桥接”和过度

　　2. 设备大小不一，存储和处理能力的不一致导致安全信息（如PKI Credentials等）的传递和处理难以统一

　　3. 设备可能无人值守，丢失，处于运动状态，连接可能时断时续，可信度差，种种这些因素增加了信息安全系统设计和实施的复杂度

　　4. 在保证一个智能物件要被数量庞大，甚至未知的其他设备识别和接受的同时，又要同时保证其信息传递的安全性和隐私权

　　5. 多租户单一Instance服务器SaaS模式对安全框架的设计提出了更高的要求

对于上述问题的研究和产品开发，目前国内外都还处于起步阶段，在WSN和RFID领域有一些针对性的研发工作，统一标准的物联网安全体系的问题目前还没提上议事日程，比物联网统一数据标准的问题更滞后。这两个标准密切相关，甚至合并到一起统筹考虑，其重要性不言而喻。