超级计算机现状和我国发展规划PPT课件

超级计算机现状和我国发展规划 4 6 2020 2 汇报内容Outline 超级计算机现状和我国发展规划国家超算天津中心及天河一号介绍未来国家超算天津中心重点研发方向与资源更新规划 4 6 2020 3 超级计算机现状和国内发展规划HPCdevelopmentstrategyandsituation 第一部分 4 6 2020 4 日本地球模拟器2002年 40Tflops IBMBlueGene L2005年 367Tflops2007年 596Tflops IBMBlueGene L2005年 367Tflops2007年 596Tflops Cray YMP1988年 2 3Gflops Cray 11976160Mflops IBM红色选择1999年 3万亿次 CrayT3E 12001998年1Tflops 1983 1992 CrayT3D1993 19Gflops 走鹃 2008年 1千万亿次 天河二号2013年 5 5万万亿次 2013年天河二号5 49万万亿次 从1 6亿次到5 49万万亿次 38年性能提高了340000000倍 39年前第一台商用巨型机问世 1997 超级计算机现状和发展规划 TH 1A 2010年 4 7PFlops 4 6 2020 5 超级计算机现状和发展规划 提高超级计算机性能的三驾马车主频 指令级并行 并行度并行度足够宽 数万结点 足够深 核间 异构 SIMD 指令级 4 6 2020 6 超级计算机是国家综合科技创新能力的基础支撑 全球各大国家均大力发展超级计算机中国近几年在大力发展超级计算机 超级计算机现状和发展规划 4 6 2020 7 天河超级计算机发展DevelopmenthistoryofTianhesupercomputer 1978年 由小平批准 国防科大开始研制 银河 1 从此 开始了中国研制超级计算机的艰难和辉煌的历程ApprovedbyXiao pingDENG theNUDTstartedtodevelopthe MilkyWay 1 Fromthenon beganadifficultandglorioushistoryofChineseSupercomputerresearch 银河 1100Mflops 1983 银河 21Gflops 1990 银河 310Gflops 1997 天河一号4 7Pflops 2010 天河二号55Pflops 2013 4 6 2020 8 高性能计算机SupercomputerR D建立协同研发的机制 集中优势力量 突破核心关键技术研制Eflops超级计算系统 1000Pflops 高性能计算应用HPCapplicationsSupport建立适应不同行业的国家高性能计算应用软件中心部署行业能力型重大应用软件系统的研发 构建能力型行业重大应用数值模拟软件平台部署容量型普适推广应用课题 部署于国家超算中心等 培育 吸引和稳定一批自主应用软件系统的用户高性能计算环境HPCenvironmentConstruction建立具有世界一流资源能力和服务水平的 支撑国家创新发展的国家高性能计算环境 科技部高性能计算计划 2016 2020MOSTprojectsonHPC 2016 2020 4 6 2020 9 国家超级计算天津中心与天河一号IntroductiontoNSCC TJ Tianhe 1A 第二部分 我国目前已投入运营的应用范围最广 综合支撑能力最强的国家级超算中心峰值4700万亿次的天河一号超级计算机 400台以上服务器的通用云计算系统 容量超过10PB的海量存储系统 多领域行业软件 完善的网络基础设施 完善的机房 供电 制冷等基础设施 主要业务为高性能计算 云计算和大数据服务 目前服务的政府 企业及科研院所用户数已达600余家 NSCC TJ 国家发改委 大数据技术与应用 国家地方联合工程实验室国家工信部工业云试点单位国家科技部示范型国际合作基地博士后科研工作站与多家企业和研究机构建立的联合实验室 NSCC TJ 计算机技术创新广泛的应用成效 天河一号 国际学术界的评价Remarkfrominternationalacademia CPU GPU异构融合体系结构CPU GPUheterogeneousarchitecture64位多核多线程自主飞腾1000CPU64bitsMulti coreandMulti threadCPU自主高速互连通信技术Self developedHigh speedinterconnectcommunicationtechnology 三大技术创新Threetechnicalinnovations 石油勘探OilExploration生物医药Biologicalmedicine航空航天AeroandSpacecraftdesign可控核聚变Nuclearfusion气象预报Weatherforecast 高性能计算的主要应用领域ThemainapplicationareaofHPC 动漫设计AnimationDesign高端装备制造Thehigh endequipmentmanufacturing土木建筑设计分析BIM金融工程FinancialEngineering基础科学研究等ResearchonBasicsciences 超级计算的重要作用 提升国家创新能力 加速战略性新兴产业发展ImprovethenationalinnovationabilityandacceleratethedevelopmentofstrategicemergingindustriesinChina 4 6 2020 15 业内专家和用户的评价综合服务能力最强 系统最稳定 服务质量最好计算服务应用计时 140万机时 天每天运行任务数 1000存储数据规模 4 5PB服务至今已4年 2010 12 2015 3 2014年10月11日 31日的作业运行状况 天津超算中心运营情况 4 6 2020 16 天津超算中心运营情况 天河一号 系统稳定运行服务 支撑国家重大科研项目超过800项国家自然科学基金项目超过600项863和973项目超过100项其他重大项目 工信部 发改委 中石油 中海油等 超过40项国际和地区项目超过10项服务全国大部分省份 包含香港地区 2014年服务用户已经超过600余家 4 6 2020 17 聚变领域研究合作 合作单位 北京大学 中国科学技术大学 浙江大学 nvidia托卡马克 回旋环形等离子体代码 GTC程序的GPU开发与优化模拟规模 50 000cores 每秒模拟的电子数达300多亿 4 6 2020 18 聚变技术开发及相关合作 实际操作GTC程序移植到 天河一号 程序部署热点分析Pushe 获得网格点上的场数据 根据作用力更新电子的位置Shifte 高度串行化计算MPI操作 4 6 2020 19 聚变技术开发及相关合作 程序的具体优化策略存储器访问优化 针对pushe 针对三维访问数组进行纹理绑定合并数组增加缓存命中率CPU GPU数据传递优化 针对pushe 临时数组直接在GPU中分配使用GPU的寄存器来存放部分数组不变数组只在第一调用kernel时传递到GPU算法优化 针对shifte 分级并行紧致化 通过分级scan方法并发执行串行代码与kernel并发执行在GPU内部使用多流 使kernel间并发执行 Improveperformanceabout20 Improveperformanceabout20 Cachehitratefrom8 to35 Total3xkernelperformancespeedup SHIFTEgets 1 8xspeedup CPU GPUtransfertimereducedto12 ofpushekerneltime PUSHEgets 7xspeedup 4 6 2020 20 聚变技术开发及相关合作 以512个节点为例说明GPU对electron模块的加速 ProtheCPUandGPUversionfor512MPIprocesses 6openMPthreadsrun 4 6 2020 21 聚变技术开发及相关合作 WeakScalingTest GTC总体性能有2 3倍的加速 同时程序具有良好的可扩展性 4 6 2020 22 聚变技术开发及相关合作 合作单位 中科院等离子体所边界湍流模拟程序BOUT 在天河上的扩展性测试及分析 将BOUT 成功部署到天河系统 并进行多组扩展性测试 与美国国家能源研究科学计算中心NERSC的Edison系统进行测试比较 4 6 2020 23 聚变技术开发及相关合作 测试环境对比 计算结点 NERSC Edison 2个12核IntelIvyBridge处理器 2 4GHz天河一号 2个6核IntelNehalem处理器 2 93GHz互联 NERSC Edison CrayArieswithDragonflytopologywith23 7TB sglobalbandwidth天河一号 自主高速互联MPI实现 NERSC Edison 基于GCC4 9 1 CrayInc Cray mpich 7 0 3天河一号 基于GCC4 4 7编译器 openmpi编译生成的mpi 4 6 2020 24 聚变技术开发及相关合作 在Edison和天河一号上的测试对比 Tianhe openmpi下 CALC可以保持较好的scaling solver的scaling最差 当进程数大于128时 在天河上使用openmpi编译的bout表现出较差的scaling 原因为solver模块中的PVODE求解器的耗时随着进程数的增加反而增加 目前正在针对solver模块进一步分析导致耗时异常的代码段 4 6 2020 25 未来国家超算天津中心重点研发方向与资源更新规划 第三部分 4 6 2020 2007年 图灵奖获得者JimGray在美国国家研究理事会计算机科学和远程通讯委员会 NRC CSTB 的演讲报告中提出了科学研究 第四范式 第一范式 实验科学研究范式描述自然现象 主要以观察和实验为依据的研究第二范式 理论科学研究范式主要以建模和归纳为基础的理论推导与分析研究第三范式 计算科学研究范式主要以模拟仿真复杂现象为基础的计算科学研究第四范式 数据科学研究范式以数据考察为基础 联合理论 实验和模拟一体的数据密集计算处理研究 高性能计算 大数据和云计算融合技术FusionTech ofBigDataandHPC CCatNSCC TJ 4 6 2020 天津超算中心运营情况 4 6 2020 28 高性能计算 大数据和云计算融合技术FusionTech ofBigDataandHPC CCatNSCC TJ 大数据硬件技术与环境建设的核心为数据分析和数据挖掘 通过云计算虚拟与集成技术实现大数据的采集与应用服务 通过高性能计算配合数据挖掘算法实现大数据的分析处理 通过层次式动态可扩展存储系统实现海量数据的高效存储 大数据与云计算和超级计算融合技术 基于超级计算与云计算的大数据处理与应用建模示意图 4 6 2020 29 高性能计算 大数据和云计算融合技术FusionTech ofBigDataandHPC CCatNSCC TJ 4 6 2020 30 近期中心系统资源规划 配置一组天河二号机柜新的互连网络IntelV2CPU和MIC扩大 天河一号 计算结点的内存将现在每个计算核心 core 的内存容量由2GB扩