并行计算机与并行计算.ppt

情况介绍 研究员2人 其中一位为中国科学院院士 高级访问学者1人 博士后研究人员6人 博士研究生18人 硕士研究生4人 与多个国际学术团队有很好的合作 与纽约大学化学系张增辉教授合作建立理论与计算化学国际合作研究中心 主要研究工作 实验方面 交叉分子束对光解 碰撞反应 立体化学动力学的研究激光诱导荧光方法对光解 立体化学动力学的研究飞秒激光对超快动力学过程的研究 理论方面 准经典轨线方法对反应动态学的研究量子力学方法对反应动态学的研究复杂体系势能面的构造 拟和量子化学及其他方法对分子结构 物质特性 化学反应过程的研究 1997 2001年 发表文章84篇 其中英文66篇 HPCServer 并行计算机与并行计算 为什么要建造并行计算机并行计算机的类型什么是并行计算 并行进程的特性及并行模型的分类工作站集群 COW 的基本结构中国科学院十五计划中关于并行计算部分 为什么要建造并行计算机 什么是超级计算环境超级计算 Supercomputing 从技术的意义上说 是为了在问题的求解上具有更快的速度 更高的精度 更大的规模 更好的性能价格比而采用的非主流计算的设施和方式 计算速度的要求 问题 科学和工程问题的数值模拟与仿真计算密集数据密集网络密集三种混合要求 在合理的时限内完成计算任务秒级制造业分钟级短时天气预报 当天 小时级中期天气预报 3 10日 尽可能快长期天气预报 气候 可计算湍流模拟 问题的规模 计算机的规模 TOP10 2001年7月 IBMBuildsWorld sFastestSupercomputertoSimulateNuclearTestingforU S EnergyDepartment 以动物的食物链为例 并行计算机分类 Flynn分类法SISD 单指令流单数据流 系统SIMD 单指令流多数据流 系统MISD 多指令流单数据流 系统MIMD 多指令流多数据流 系统五种物理机模型 实际的机器体系结构PVP ParallelVectorProcessor 并行向量机 SMP SymmetricMultiprocessor 对称多处理机 MPP MassivelyParallelProcessor 大规模并行处理机 COW ClusterofWorkstation 工作站机群 DSM DistributedSharedMemory 分布共享存储多处理机 几种我们常见的并行计算机 什么是并行计算 并行进程的表述及并行模型的分类 什么是并行计算 传统的串行计算 分为 指令 和 数据 两个部分 并在程序执行时 独立地申请和占有 内存空间 且所有计算均局限于该内存空间 并行计算将进程相对独立的分配于不同的节点上 由各自独立的操作系统调度 享有独立的CPU和内存资源 内存可以共享 进程间相互信息交换通过消息传递 进程1 进程2 并行算法的表述 硬件结构抽象模型 自然模型 共享存储的模型和语言 适于PVP SMP DSM X3H5 PthreadOpenMP消息传递的模型和语言 适于MPP Cluster COW MPI Fortran C Gamess Vasp PVM Fortran C 数据并行的模型和语言 适于在MPP Cluster上实现SPMD应用 Fortran90HPF HighPerformanceFortran 并行模型的分类 基于程序构造的模型CSPLinda Fortran C Gaussian Global Molpro Columbus 基于问题描述的模型GAMMAUNITY基于并行计算理论的模型PRAMBSPLogP Yale大学NicholasCarriero和DavidGelernter于1986年基于分散数据结构和共享存储系统的并行计算模型 Linda模型定义了一个功能强大的逻辑存储器 TS 和在其上的一组核心操作 in out read eval 它们能够方便地嵌入到不同的语言 如 C Fortran 中而构成相应的并行语言 C Linda和Fortran Linda等 该模型同时还支持动态程序设计和两种不同的编程风格 Master Slaver和Divide and Conquer 为用户开发不同类型的应用程序提供了灵活的手段 Linda模型 进程从TS中提取任务或数据进行计算 并将结果或生成的新任务放入TS中 并行执行的进程之间通过TS进行间接的通信和同步 TS是一个可被多个进程共享的 能同时存放数据和任务的数据箱 Linda模型的应用 LindainGaussian HF SPOptFreqMP2 SpOptFreqDFT SPOptFreq 可以将串行代码改编为并行代码支持C和Fortran语言 MPI已经成为一种标准 应用越来越广泛 而最流行的MPI工具集当属mpich http www unix mcs anl gov mpi mpich 是目前高效率的超大规模并行计算 1000个处理器 最可信赖的平台 在当前所有的消息传递软件中 最重要最流行的是MPI 它能运行在所有的并行平台上 包括SMP和PVP 二者已经在WindowsNT和Windows95这样的非Unix平台上实现 程序设计语言支持C Fortran和Java 在国产的三大并行机系列神威 银河和曙光上都实现了对MPI和支持 MPI MessagePassingInterface MPI模型 目标 是提供一个实际可用的 可移植的 高效的和灵活的消息传递接口标准 MPI以语言独立的形式来定义这个接口库 并提供了与C Fortran和Java语言的绑定 这个定义不包含任何专用于某个特别的制造商 操作系统或硬件的特性 由于这个原因 MPI在并行计算界被广泛地接受 MPI并行程序设计平台由标准消息传递函数及相关辅助函数构成 多个进程通过调用这些函数 类似调用子程序 进行通信 一个程序同时启动多份 形成多个独立的进程 在不同的处理机上运行 拥有独立的内存空间 进程间通信通过调用MPI函数来实现 每个进程开始执行时 将获得一个唯一的序号 rank 例如启动P个进程 序号依次为0 1 P 1 MPI并行进程的实现 在商品化的并行机上 MPI的环境一般是由系统管理人员事先设置好的 用户不需要变动它 而在用户自已配置的NOW 工作站机群 上运行MPI程序则需要设置以下配置文件 1 由于加载程序到结点上运行需要调用了Unix系统的rsh命令 所以需要在每个结点上设置 rhosts文件 以使rsh能正确执行 2 由于NOW环境的异构性 需要在启动时指定运行结点的体系结构 若未指定 是指使用与启动并行程序的结点具有相同体系结构的结点 在启动并行程序的机器里 具有相同体系结构的几台机器的名字存放在一个名为 MPICH util machines machines 的文件中 一台机器的名字占有文件的一行 其中 MPICH是一个环境变量 指明MPICH软件安装后所在的目录 并行程序加载运行时是按照文件中机器名字的先后顺序依次加载的 商业机中的MPI 程序用以下并行C编译器mpcc来编译 执行下列命令将可执行程序myprog加载到n个节点上 mpccmyprog c omyprog mpirunmyprog npn MPI进程是重型的单线进程 它们拥有不同的地址空间 因此 一个进程不能直接访问另一个进程地址空间中的变量 进程间的通信用消息传递来实现 MPI的编译与运行 工作站集群 COW 的基本结构 COW简介 工作站机群 ClusterofWorkstation 是将一群工作站用某种结构的网络互联起来 充分利用各工作站的资源 统一调度 协调处理 以实现高效并行计算 通信原语库以及并行程序设计环境工具 MPI PVM linda 互联网络 LAN MyricomMyrinet Gigabite Ethernet 节点 高档微机 对称多处理机SMP 操作系统 Unix Linux NT 改进和修改的操作系统 通信协议 TCP IP 特定的协议 基本实现原理 1网络文件系统NFS Unix Linux 网络驱动器 Windows MFS Mosixkernel 2网络信息服务NIS Unix Linux NIS Solaris 域 NT 3并行开发环境及编译器MPI PVM Linda HPF GNUGCC G77 4数学库FreeScalapack 5通信软件FreeMyricomGM6作业管理GNUOpenPBS7系统管理GNUSCMS8监控管理GNUOSCAR9负载均衡Mosix 软件配置 操作系统 每一个节点都装有多用户 多任务的RH7 2linux 2 4 19 网络文件系统 NFS MFS网络信息系统 NIS编译器 GNUC GNUFortran77 AbsoftF95F90F77 PGIF90F77CC 并行开发环境 LINDA MPI负载均衡 Mosix数据并行语言高性能编译器和运行库 HF77 PGIHPF FreeScalapack计算软件 ParallelizedGaussian98A 9 withLindasupport Gamess Molpro 各种自编程序和交流程序 HPCServer 中国科学院十五计划中关于并行计算部分 中国科学院网络信息中心高性能计算研究室 现有计算设备 PowerChallengeXL并行对称多处理系统 日立SR2201超级计算并行机系统 曙光2000 II超级服务器 详细配置可以查询 预备引进 联想iCluster1800高性能机群服务器 已由数学研究院引进 正在试运行 超过2万亿次的超级计算机 预计2004年9月到位 目前正在征求意见 建立用户资料库 1 什么任务适合在超级计算环境内运行 一般来说 计算量极大而使PC不能满足要求或者根本不能计算的任务是适合在超级计算环境中运行的 比如 1 需要分布式并行处理的科学计算任务 包括 由于对计算资源要求过大而使现在的硬件条件无法满足要求的计算任务 通过将串行源代码改编为并行源代码来进行计算 或者有通行的并行计算程序 商业或非商业 2 虽然可以计算但是时间过长的问题等 2 超级计算环境可以提供怎样的支持 现行的超级计算环境是基于Linux或Unix操作系统的 所以对于商业