高性能计算与高性能计算机课件

高性能计算与高性能计算机

HighPerformanceComputingandHighPerformanceComputers国家高性能计算中心（合肥）国家高性能计算中心深圳分中心国家高性能计算中心（合肥）22023/3/9摘要

高性能计算是一个国家的综合国力的体现，是支撑国家实力持续发展的关键技术之一，在国防安全、高科技发展和国民经济建设中占有重要的战略地位。计算科学已经和传统的理论科学与实验科学并列成为第三门科学，它们相辅相成地推动着人类科技发展和社会文明的进步。21世纪科学最重要和经济上最有前途的研究前沿，有可能通过熟练地掌握先进的计算技术和运用计算科学得到解决。本报告首先简单地介绍一下高性能计算的含义、特点、应用需求、地位和作用；接着讲述国际高性能计算机和我国高性能计算机的发展状况；然后概略地谈一下应用实例；最后对加速我国高性能计算及高性能计算机的发展发表几点参考意见。国家高性能计算中心（合肥）32023/3/9目录1.高性能计算的意义2.高性能计算的发展与现状3.高性能计算的典型应用4.高性能计算的挑战与机遇国家高性能计算中心（合肥）52023/3/91.高性能计算的意义（2）1.1高性能计算的内在含义计算和计算科学所有的学科都转向定量化和精确化三大科学：理论科学、实验科学和计算科学计算科学是一个交叉学科,用计算的方法来解决应用问题。适用于理论模型复杂或尚未建立、实验费用昂贵或无法进行。计算物理、计算化学、计算生物学、计算地质学、计算气象学。并行计算是跟上摩尔定律的重要手段。国家高性能计算中心（合肥）62023/3/91.高性能计算的意义（3）高性能计算的含义高性能计算简称HPC(HighPerformanceComputing)，泛指量大、快速、高效的运算。高性能计算主要包括：向量计算并行计算分布式计算网络计算网格计算云计算国家高性能计算中心（合肥）72023/3/91.高性能计算的意义（4）高性能计算的量纲国家高性能计算中心（合肥）92023/3/91.高性能计算的意义（6）千万亿次超级计算机的应用需求国家高性能计算中心（合肥）102023/3/91.高性能计算的意义（7）1.3高性能计算的战略地位从战略高度上讲高性能计算技术是一个国家综合国力的体现。高性能高计算是支撑国家实力持续发展的关键技术之一。高性能计算国防安全、高科技发展和国民经济建设中占有重要的战略地位。

重大挑战问题：飞机设计、药物设计、全球气候预测、人类基因、海洋环流新材料、油藏数值模拟、生物分子结构、半导体建模、超导建模等。国家高性能计算中心（合肥）112023/3/91.高性能计算的意义（8）高性能计算在发达国家的战略地位（1）美国有关发展高性能计算的建议报告从1982年到2005年，美国国防部、能源部、国家科学院、国家科学基金委以及美国总统信息技术顾问委员会、美国信息技术咨询委员会、美国国家竞争力委员会等提出的有关信息技术和计算机的建议报告中，大都涉及到了高性能超级计算机的内容。国家高性能计算中心（合肥）132023/3/91.高性能计算的意义（10）高性能计算在发达国家的战略地位（3）美国发展有关高性能计算的行动计划1993年，美国科学工程技术联邦协调理事会：《HPCC(HighperformanceComputing&Communication)GrandChallenge》计划，提出发展万亿次(Tera=1012)计算机计划。1996年，美国能源部和LawrenceLivermore、LosAlamos、Sandia三大核武器国家实验室：《ASIC(AcceleratedStrategicComputingInitiative)》计划，提出发展千万亿次(Pera=1015)计算机的目标。1997年，HPCC包括了HECC(HighEndComputing&Communication),被扩展为CIC(Computing,Information,Communication)计划。1998年度的CIC蓝皮书，将千万亿次计算机硬件和软件研制列入了计划中。2002年启动HPCS计划，希望确定未来10到20年超级计算机的体系结构。···国家高性能计算中心（合肥）142023/3/91.高性能计算的意义（11）高性能计算在发达国家的战略地位（4）美国1996年提出的ASCI（AcceleratedStrategicComputingInitiative）计划。通过数值模拟，评估核武器的性能、安全性、可靠性等。高分辨率、高逼真度、三维、全物理、全系统的规模和能力。计划研制5代计算平台，目前，前四代已完成，第五代平台正在研制。随着第一个十年研究结束，已经开始为下一个十年发展制订规划。国家高性能计算中心（合肥）152023/3/91.高性能计算的意义（12）高性能计算在发达国家的战略地位（5）ASCI平台性能发展图国家高性能计算中心（合肥）172023/3/91.高性能计算的意义（14）高性能计算在发达国家的战略地位（7）美国2002年启动的千万亿次超级计算机研究HPCS计划从2002年起的两年多时间里，ES占据TOP1位置Cluster并不是HPC的最终体系结构美国DARPA于2002年启动高生产率计算系统（HighProductivityComputingSystems)HPCS计划希望确定未来10年甚至20年的高性能计算机体系结构高生产率而非峰值计算能力作为评价指标高性能计算的一个新的创新时代的开始国家高性能计算中心（合肥）182023/3/91.高性能计算的意义（15）高性能计算在发达国家的战略地位（8）HPCS计划的三个阶段国家高性能计算中心（合肥）192023/3/91.高性能计算的意义（16）高性能计算在发达国家的战略地位（9）HPCS的设计策略国家高性能计算中心（合肥）212023/3/91.高性能计算的意义（18）高性能计算在我国的战略地位（2）中国高性能计算发展大事记1983年，由国防科技大学研制的银河I型亿次巨型机系统的成功问世，标志着我国具备了研制高端计算机系统的能力。1992年，曙光投入200万元研制曙光一号。随后，曙光一号、曙光1000、曙光2000、曙光3000、曙光4000相继问世。1994年，银河I的换代产品银河II在国家气象局正式投入运行，其系统性能达每秒10亿次，大大缩短了我国与先进国家的差距。1997年，银河III并行巨型计算机在北京通过国家鉴定，峰值性能为每秒130亿浮点运算。1999年，首台“神威I”计算机通过了国家级验收，并在国家气象中心投入运行。2000年，由1024个CPU组成的银河Ⅳ超级计算机系统问世，峰值性能达到每秒1.0647万亿次浮点运算。2002年，世界上第一个万亿次机群系统联想深腾1800出世，获得2004年国家科技进步二等奖。2003年，联想深腾6800问世把世界机群计算推向新的高峰。2004年，曙光4000A成功研制，使中国成为继美国、日本之后第三个能研制10万亿次商品化高性能计算机的国家（进入TOP500前10位）。2005年，中国高性能计算机性能TOP100排行榜揭晓，曙光位居第一。天梭荣获国家科学技术进步二等奖。2006年，曙光高性能计算机被胡锦涛总书记点评为“中国七大标志性自主创新成果之一”，曙光4000系列高性能计算机荣获国家科学技术进步二等奖。2007年12月，中国首台采用国产高性能通用处理器芯片“龙芯2F”的万亿次高性能计算机“KD-50-I”研制成功。2008年6月24日，中国科学院计算技术研究所、曙光公司和上海超级计算中心在中科院计算所联合举行了曙光5000落户上海超级计算中心的签约仪式。···国家高性能计算中心（合肥）222023/3/91.高性能计算的意义（19）高性能计算在我国的战略地位（3）—国产高性能计算平台神威-I联想-6800天河1号(TH-I)曙光-星云(Nebulae)国家高性能计算中心（合肥）232023/3/92.高性能计算的发展与现状（1）2.1高性能计算机的发展2.2高性能计算机的现状2.3高性能计算面临的主要问题国家高性能计算中心（合肥）252023/3/92.高性能计算的发展与现状（3）发展过程中的主流技术607080900010巨型机萌芽CDC6600向量机鼎盛CRAY-1，SX-3MPP发展CrayT3E，OptionRed机群发展NOW,IBMSP2,ASCIQ定制机器ESBlueGene国家高性能计算中心（合肥）262023/3/92.高性能计算的发展与现状（4）两类构造高性能计算机的方式采用定制部件价格较高（小于1B$市场）对大规模或通信密集的任务进行了优化设计并行向量机采用商用部件利用每年80B$的市场优势对一些计算密集任务有很好的性能MPP/机群国家高性能计算中心（合肥）292023/3/92.高性能计算的发展与现状（7）2006年TOP500预测：达到Petascale国家高性能计算中心（合肥）302023/3/92.高性能计算的发展与现状（8）2.2高性能计算机的现状从Top500看高性能计算机现状（2010.11）最快的高性能计算机：2.566Pflops最普遍的高性能计算机：机群（415台）安装高性能计算机最多的国家：美国（274台），亚洲（83台，日本26台，中国41台，印度4台），欧洲（126台）生产高性能计算机的企业：HP（159台），IBM（200台）高性能计算机中使用最多的微处理器：Intel系列（398台），IBM(42台），AMD（57台）高性能计算机使用最广泛的领域：企业与研究结构进入500强的最低性能：31.11Tflops，半年前为24.67Tflops500强的总性能为：43.65Pflops，半年前为32.434Pflops国家高性能计算中心（合肥）312023/3/92.高性能计算的发展与现状（9）2010/11Top500前5位一览表(TF)(TF)(kW)国家高性能计算中心（合肥）322023/3/92.高性能计算的发展与现状（10）近几年来Top1机器2001年，为IBMASCIWHITE，LINPACK峰值为12TFLOPS，处理器数目为8192。2002年—2004年上半年，为NECEarth-Simulator，LINPACK峰值为40TFLOPS，处理器数目为5120。2004年下半年—2007年11月，为IBMBlueGene，LINPACK峰值为478TFLOPS，处理器数目为212992。2008年6月，Top1为IBMRoadrunner（走鹃），LINPACK峰值为1.026PFLOPS，处理器核数目为122400。2009年6月，Top1为IBMRoadrunner（走鹃），LINPACK峰值为1.105PFLOPS，处理器核数目为129600。2009年11月-2010年6月，Top1为Jaguar，峰值为1.759PFLOPS，处理器核数目为224162。2010年11月，Top1为TH-1A，峰值为2.566PFLOPS，处理器核数目为186368。国家高性能计算中心（合肥）332023/3/92.高性能计算的发展与现状（11）IBMRoadrunner走鹃（1）国家高性能计算中心（合肥）342023/3/92.高性能计算的发展与现状（12）IBMRoadrunner（2）基本参数（2008年6月）6,480AMDOpteron处理器，51.8TB内存(in3,240LS21刀片)12,960IBMCell处理器，51.8TB内存(in6,480QS22刀片)216Systemx3755I/O节点26288-portISR2012Infiniband4xDDRswitches296机架2.35MWpower1.026PFLOPS国家高性能计算中心（合肥）352023/3/92.高性能计算的发展与现状（13）IBMRoadrunner（3）混合（Hybrid）设计（2008年6月）通用处理器+专用处理器采用两种不同架构的处理器：1.8GAMDOpteron双核处理器（X86架构）6912个处理器(6480个用于计算节点,432个用于系统操作和通信节点)共13824个cores(12960+864)3.2GIBMPowerXCell8i异构多核处理器数学运算比Opteron快30倍1个通用核(PowerProcessingElement：PPE)，8个专用核(SynergisticProcessingElement：SPE)(共有9个处理器核)12960个PPEcores和103680个SPEcores共116640个cores(12960+103680)系统共有130464个cores(13824+116640)国家高性能计算中心（合肥）362023/3/92.高性能计算的发展与现状（14）IBMRoadrunner（4）刀片式机群架构（2008年6月）每个Triblade包含4个刀片，一个LS21Opteron刀片，一个扩展连接刀片，两个QS22Cell刀片。LS21包含2个1.8GHz双核Opterons，16GB内存。QS22包含2个3.2GHzPowerXCell8i处理器，8GB内存。国家高性能计算中心（合肥）372023/3/92.高性能计算的发展与现状（15）IBMRoadrunner（5）一个Triblade包含4个刀片一个BladeCenterH框包含3个Triblade一个机架(rack)包含4个BladeCenterH一个连接单元CU(ConnectedUnit)包含15个机架Roadbunner包含18个CU，通过两级Infiniband互连国家高性能计算中心（合肥）382023/3/92.高性能计算的发展与现状（16）ASCIBlueGene/L设计特点采用专门的System-on-a-chip技术减少功耗、体积、复杂度和设计难度实现低延迟、高带宽存储系统MPP结构可扩展到~100k处理器采用三种互连网络：Gbit以太网用于节点内部3DTorus用于节点间树用于多播通信国家高性能计算中心（合肥）392023/3/92.高性能计算的发展与现状（17）ASCIBlueGene/L构造图BlueGene/LComputeASIC

国家高性能计算中心（合肥）402023/3/92.高性能计算的发展与现状（18）最快的并行向量计算机—ES体系结构：并行向量机峰值速度/存储器：40Tflops/10TB节点数/处理器数/处理器峰值：640/5120/8Gflops占地：六个篮球场大3层建筑安装时间：2002年2月主要用途：全球气候变化预测、地震预报、原子能等国家高性能计算中心（合肥）412023/3/92.高性能计算的发展与现状（19）TOP500中的机群机群系统在高性能计算机中所占比例迅速增加TOP500中目前有424个机群系统TOP500中最普通的并行机体系结构导致了高性能计算机的“平民化”国家高性能计算中心（合肥）422023/3/92.高性能计算的发展与现状（20）中国的高端高性能机群2008年11月,第32届HPCTop500榜曙光5000A排名第10，LINPACK峰值180.6TFLOPS联想DeepComp7000排名第19，LINPACK峰值102.8TFLOPS2009年11月,第34届HPCTop500榜天河1号排名第5，LINPACK峰值563.1TFLOPS曙光5000A排名第19，LINPACK峰值180.6TFLOPS联想DeepComp7000排名第43，LINPACK峰值102.8TFLOPS2010年06月,第35届HPCTop500榜曙光星云（Nebulae）排名第2，LINPACK峰值1271TFLOPS天河1号排名第7，LINPACK峰值563.1TFLOPS2010年11月,第36届HPCTop500榜天河1A排名第1，LINPACK峰值2566TFLOPS曙光星云（Nebulae）排名第3，LINPACK峰值1271TFLOPS国家高性能计算中心（合肥）432023/3/92.高性能计算的发展与现状（21）中国的高端高性能机群曙光-星云高性能：实测峰值达每秒1271万亿次，亚洲和中国第一台、世界第三台实测性能超千万亿次的超级计算机高效能：采用自主设计的HPP体系结构、高效异构协同计算技术，高效易用的编程环境，极大方便用户操作应用高可靠：采用全冗余设计，无单一故障点高密度：单柜峰值高达25.7TFlops，国内同类系统单位面积计算峰值最高低功耗：每瓦能耗实测性能超过4.98亿次，是目前国内最绿色的超级计算机低成本：关键部件标准化和产业化，大大节省扩容成本天河1A高自主：使用国产CPU飞腾FT-1000八核处理器，使用国产高速互联交换芯片“NRC”高性能：峰值运算速度4701万亿次，实测Linpack值2566万亿次；内存229TB，存储容量2P高效能：每瓦实测性能6.35亿次，Green500公布的2010年11月数据排名第11位高安全：系统管理员无法进入用户信息系统查看任何信息，保障用户数据的安全可靠易使用：刀片结构，利用高偏上的特定电路，自检系统可以迅速定位刀片位置，便于维修国家高性能计算中心（合肥）442023/3/92.高性能计算的发展与现状（22）KD系列个人高性能计算机研制计划KD-90“微波炉”2011年底CC-NUMA8+8颗30w@1GHz8核龙芯3HT交换机16个CPU/4U阶段代号时间结构CPU数主频CPU类型互连网络组装KD-50“冰箱”2007年底PC-机群336颗8w@700MHz龙芯2F通用千兆以太网12个CPU/1U

KD-60“洗衣机”2010年中SMP-机群80颗15w@800MHz4核龙芯3通用千兆以太网8个CPU/1U国家高性能计算中心（合肥）452023/3/92.高性能计算的发展与现状（23）从Top500看高性能计算机的趋势（1）关于计算机结构：机群系统仍将是高性能计算机最常用的结构MPP仍然是一个重要结构,尤其是作为PFlops超级计算机的主要结构PVP是另一种获得超高性能的重要结构，但不是主流国家高性能计算中心（合肥）462023/3/92.高性能计算的发展与现状（24）从Top500看高性能计算的趋势（2）关于微处理器：主要是采用CMOS工艺的商用微处理器多核处理器占统治地位Intel处理器家族仍将是高性能计算机中占统治地位的处理器基于RISC的IBMPower体系也会有一席之地AMD有一定地位(HyperTransport加快了处理器间的通信速度，简化了一致性协议的实现)近期也采用了一些专用的处理器适用于最高端系统（Roadrunner）向量处理器片上系统GPU国家高性能计算中心（合肥）472023/3/92.高性能计算的发展与现状（25）2.3高性能计算面临的主要问题Memorywall：存储器访问能力与处理部件计算能力的不平衡处理器速度每年提高59%，高性能计算速度提高更快。存储器速度每年提高7%。处理器性能与数据访问带宽和延迟之间的差距越来越大。必须从系统存储体系结构上创新，改进时延机制，以提供更高的带宽和更低的延迟。目前对三类超级计算机（定制、混合与商业）的主要区别在于针对不同的存储访问模式所能提供的有效本地和全局存储访问带宽。国家高性能计算中心（合肥）482023/3/92.高性能计算的发展与现状（26）处理器-内存差距µProc60%/yr.(2X/1.5yr)DRAM9%/yr.(2X/10yrs)110100100019851986198819891990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005DRAMCPU1987Processor-MemoryPerformanceGap:

(grows50%/year)PerformanceTime“Moore’sLaw”国家高性能计算中心（合肥）492023/3/92.高性能计算的发展与现状（27）Programmingwall:系统规模增大到10万个以上处理器，系统结构复杂（数据共享与消息通信模式交织），为超级计算机编写高效健壮程序越来越复杂，越来越困难。高性能机器上的程序设计语言、库和应用开发环境的进展比广泛应用的工业软件差很多没有广泛应用的并行程序设计模型软件的研制周期大于硬件的研制周期高端计算的真正危机在于软件国家高性能计算中心（合肥）502023/3/92.高性能计算的发展与现状（28）Powerwall：单个芯片的功耗急剧升高，导致整个系统的总功耗越来越高占地均在数百~数千平方米，功耗在数兆瓦综合成本急剧增加，高达数亿美元如ASCI系统和ES国家高性能计算中心（合肥）512023/3/92.高性能计算的发展与现状（29）功耗-工业界普遍关注的问题“HidinginPlainSight,GoogleSeeksMorePower”,byJohnMarkoff,June14,2006NewGooglePlantinTheDulles,Oregon,fromNYT,June14,2006Google策略在靠近河边的平原上建立机房水力发电全世界共有>500,000台服务器国家高性能计算中心（合肥）522023/3/93.高性能计算的典型应用（1）3.1高性能计算的应用领域3.2高性能计算的代表应用实例3.2.1国产并行计算机在淮河流域防洪防污中

的应用

3.2.2高性能计算在油气井射孔优化中的应用3.2.3高性能计算在数字油田中的应用

3.2.4高性能计算在数字化大桥中的应用

国家高性能计算中心（合肥）532023/3/93.高性能计算的典型应用（2）3.1高性能计算的应用领域气候能量的燃烧、熔化和裂变技术（军事国防）生物社会经济发展天体物理学数学能源及材料……“E3”报告国家高性能计算中心（合肥）542023/3/93.高性能计算的典型应用（3）高性能计算的应用领域（1）从传统应用到新兴应用历史上，物理和工程科学是计算和计算机科学应用驱动者。现今，像生物科学(从基于实验发展为基于计算、从个体研究发展为跨学科研究、从注意数值技术发展为生物医学计算方法等)等是计算和计算机科学的受益者。将来，社会科学和人文科学则是计算和计算机科学的主要消费者。国家高性能计算中心（合肥）552023/3/93.高性能计算的典型应用（4）高性能计算的应用领域（2）传统的科学与工程计算科学工程计算的共性：在过去20年，计算物理是应用的主要驱动力，这类应用具有如下共同特点：应用程序常常由定义在R3×t子空间的一组PDE所描述。多物理模拟的不同物理区域的计算方法各不相同。很多应用均主要集中在大学和研究所。研究侧重点离散化PDE及其相应的线性/非线性方程的求解。强调并行机的速度和问题求解精度。很少关心相关的I/O操作。并行化方法与编程模型并行化方法：最常使用区域分解法。编程模型：最常使用数据并行。国家高性能计算中心（合肥）562023/3/93.高性能计算的典型应用（5）高性能计算的应用领域（3）与社会相关的新兴应用新应用的共性：最近几年，与社会相关的应用急剧增加与传统的计算应用分享市场空间，其共性是：应用问题常常由图来定义，而不是离散的R3空间。计算过程中的交互常是全局性的，而不是通过边界来交换信息的。新出现的应用，无相应的使用经验和成熟的软件。很多应用常集中在与社会相关的国计民生方面。研究侧重点建立诚信机制：包括硬件、软件、人机界面、安全协议的使用等。巨量的数据，而不是科学计算，将是此类应用的主要处理对象，I/O是最为关心的。数据的安全、属主、管理等带来一系列技术、法律和人道等问题。国家高性能计算中心（合肥）572023/3/93.高性能计算的典型应用（6）高性能计算的应用领域（4）应用实例社会科学社会经济学：利用宏观经济理论和计算经济学(行为方程)来模拟经济活动，施行动态调整平衡，预测货币政策变化所带来的经济含义，修正改变金融政策来防止经济动荡。社会行为科学：当社会和行为科学家面临巨大的数据需要理解和保护这些数据时，社会科学家和计算科学家加强合作是最有利的；社会科学家可帮助计算科学家理解在社会生态系统中怎样运用计算机科学；行为科学家也能帮助计算机科学家开发良好的人机交互模型；心理学家和语言学家同计算机科学家合作，能联合开发易于理解、使用和语言翻译的计算机程序，等等。主体经济学：通过相互作用主体(包括个体、社会群体、机构、生物实体、物质实体等)动态系统建模来研究经济现象和规律，以达到理解以往的经验和规范作用，定量分析和发展理论以及改进方法等之目的。国家高性能计算中心（合肥）582023/3/93.高性能计算的典型应用（7）高性能计算的应用领域（5）应用实例物理科学挖掘资料发现新星球(褐矮星)：美国国家虚拟观测站的计算机科学家用计算机搜索(约2分钟)两个天文数据库中数百万天体的资料时发现了它，它是研究人员在演示软件的可行性时无意发现的，是天文界惊人的精确发现。超新星建模：伽利略观察巨大星球爆炸500年后，人们对超新星(比太阳至少大10倍)中心坍塌的爆炸机制仍不清楚。最近许多物理学家和计算科学家用一维、二维、三维程序来模拟此现象，有可能提高对此现象的认识和增加对宇宙特性的理解。暗物质与暗能量：最近宇宙科学家发现宇宙在加速膨胀，这与爱因斯坦广义相对论理论物质行为相反，宇宙科学家猜想，除暗物质外，宇宙也可能包含暗能量，此能量将引力作为排斥力，从而导致加速膨胀，美国芝加哥大学天文学家用扩展版FLASH程序模拟了宇宙的能力。国家高性能计算中心（合肥）592023/3/93.高性能计算的典型应用（8）高性能计算的应用领域（6）应用实例工程与制造微气泡和船舶降阻：很久以来，研究人员已经知道其体积约在50~500微米之间的微气泡，在一些情形下可减少船舶80%的阻力、减少燃料消耗、增加航程。但是人们还不能确定最佳微气泡系统的特性，该在哪里加入、加入多少和加入多大的气泡。美国布朗大学通过使用高性能计算机系统，采用新的微气泡计算模型，可降低跟踪少量的微气泡移动来寻找降低阻力的方法。航空系统的高性能计算：在今天的航空中，飞机采用20世纪30年代设计的无线电导航台导航，它沿着固定航线飞行，不能直接地点到点飞行，这导致飞机的源-目的路径要远10%。解决此问题的有效办法是使用高性能计算机来实时地预计飞机冲突和调整航班变化。国家高性能计算中心（合肥）602023/3/93.高性能计算的典型应用（9）高性能计算的应用领域（7）应用实例生物学解码蜜蜂通信：使用数码录像机记录蜜蜂之间的通信，研究人员发现一些蜜蜂使用声音编码来传达关于食物位置的信息，这种编码能阻止其它的蜜蜂种类拦截此信息。使用数码录像机需要存储和读取巨大的数据量(上万亿位)，使用网络系统，便于广布在各地区的科学家们访问和分析记录蜜蜂行为的数以万帧计的录像，以便帮助解释特定种群适应环境的进化，保证种群继续繁荣。蛋白质动力学：以前蛋白质合成物被视为静态的实体，根据在成份之间的直接交互作用来了解生物学的功能；现在基于计算机模拟，蛋白质被视为有效率的分子机器，活跃的动态与它们的结构与功能密切联系，通过在超级计算机上使用并行方法和优化分子动力学程序来更好地理解蛋白质动力学行为，这对蛋白质工程学和改进药物设计等具有广泛的意义。国家高性能计算中心（合肥）612023/3/93.高性能计算的典型应用（10）高性能计算的应用领域（8）应用实例国家安全信息情报：它是收集国外敌对势力、组织与个人以及电子通信信息，这些在反间谍活动、反恐怖分子或犯罪活动中能发挥重要作用。在截取、过滤、分析和存储巨大数据方面，超级计算机和并行计算技术具有绝对优势，包括攻克敌人的复杂密码系统、重建和还原不完全和遭受破坏的信息等。解决信息情报问题与解决科学工程问题所使用的计算方法完全不同。传染病传播动态建模：根据遭受的苦难以及所产生的社会与经济后果，传染病对人类和动物的影响是巨大的。借助数学和计算机科学研究传染病的空间和时间传播机制和特征，帮助我们预测、制定和评估控制策略，并通过模拟程序提供虚拟场景，帮助人们面对流行疾病时，应采取的紧急措施和最有效的隔离决策等。强风暴预测：强风暴每年给国家带来的经济损失和人员伤亡是巨大的，由于不准确和缺乏时间性，约有3/4的龙卷风警报被证明是无效的。美国俄克拉荷马州立大学研究人员使用匹兹堡的超级计算机模拟过去所发生的大型龙卷风，首次模拟了整个暴风雨，真实地再现了完整的龙卷风发展过程。国家高性能计算中心（合肥）622023/3/93.高性能计算的典型应用（11）3.2高性能计算的代表应用实例

3.2.1国产并行计算机在淮河流域防洪防污中的应用淮河流域简介研究工作简介基于曙光1000的淮河中上游水库群调度模型基于曙光2000A的MM4并行化国家高性能计算中心（合肥）632023/3/93.高性能计算的典型应用（12）淮河流域简介（1）地理位置国家高性能计算中心（合肥）642023/3/93.高性能计算的典型应用（13）淮河流域简介（2）地形特征三面环山,中游为平原，比降小下游为锅底状平原地形，排水不畅国家高性能计算中心（合肥）652023/3/93.高性能计算的典型应用（14）淮河流域简介（3）气候特征南北气候过渡带特性,利于降水的天气系统极容易发生主要致灾系统有：（1）强冷锋/切变线（2）西南暖湿气流（3）西太平洋副高/江淮气旋/梅雨锋（4）台风/热带风暴国家高性能计算中心（合肥）662023/3/93.高性能计算的典型应用（15）淮河流域简介（4）暴雨特征暴雨中心暴雨主要集中在梅雨期，量、强度大，范围广暴雨中心有可能同时出现在上游、中游和下游国家高性能计算中心（合肥）672023/3/93.高性能计算的典型应用（16）淮河流域简介（5）流域性大洪水的特点干支流洪水遭遇，淮河上游及中游右岸各支流连续出现多次洪峰，左岸支流洪水又持续汇入干流，从而干流出现历时长达一个月以上的洪水过程，沿淮河长时间处于高水位状态淮北平原出现大片洪涝近20年来，共发生1991、2003、2007三次流域性大洪水，损失严重国家高性能计算中心（合肥）682023/3/93.高性能计算的典型应用（17）淮河流域简介（6）水利工程密布淮河有许多水利工程阻断了洪水的运动，导致水流运动的非连续性，严重影响洪水预见期和预报精度，水利工程的频繁启用导致洪水调度难度加大（淮河中游洪水处于非天然状态）国家高性能计算中心（合肥）692023/3/93.高性能计算的典型应用（18）研究工作简介（1）863重点项目：“安徽省防灾减灾智能信息与决策支持系统”，1995~1998基于曙光2000A的并行化MM4系统淮河中上游九大水库的联合调度系统该项目获2002年度国家科技进步二等奖国家高性能计算中心（合肥）702023/3/93.高性能计算的典型应用（19）研究工作简介（2）863重点项目：“淮河流域防洪防污智能调度系统”，1998~2000新型洪水调度模型：水库+河网+行蓄洪区联合调度模型基于进化计算的洪水调度算法沙颖河、淮河干流水质模型基于环境容量的污染物分配模型国家高性能计算中心（合肥）712023/3/93.高性能计算的典型应用（20）基于曙光1000的淮河中上游九大水库调度模型（1）水库调度的基本原理考虑自身的安全：安全蓄水位考虑单水库下游防洪点的安全：水位、流量级联水库的调洪：水库过流水库群公共防洪点的安全：水位、流量防止水资源浪费：保证库容发挥水库在淮河防洪体系中的作用：蓄洪、调洪（削峰、错峰）国家高性能计算中心（合肥）722023/3/93.高性能计算的典型应用（21）南湾水库NanWan息县XiXian潢川HuangChuan王家坝WangJiaBa板桥水库BanQiao薄山水库BoShan宿鸭湖水库SuYaHu班台BanTai地理城DiLiCheng蒙洼MengWa南照集NanZhaoJi蒙河分洪道蒋家集JiangJiaJi梅山水库MeiShan鲇鱼山水库NianYuShan南润段NanRunDuan润河集RunHeJi邱家湖QiuJiaHu

正阳关ZhengYangGuan城西湖蓄洪区ChengXiHu钐岗ShanGang淮Huaihe洪汝河河灌史横排头HengPaiTou响洪甸水库XiangHongDian佛子岭水库FoZiLing磨子潭水库MoZiTang河淠姜家湖JiangJiaHu唐垛湖TangDuoHu城东湖ChengDongHu汪集WangJi临淮岗LinHuaiGang淮滨HuaiBin董峰湖DongFengHu寿西湖SouXiHu瓦埠湖WaBuHu凤台FengTai石姚段ShiYaoDuan汤渔湖TangYuHu荆山湖JinShanHu洛河洼LuoHeWa蚌埠BengBu茨淮新河河River洪泽湖HongZeHu蒙城MengCheng河涡淮南HuaiNan淮洪新河阜阳FuYang河颍沙焦岗湖JiaoGangHu

鲁台子LuTaiZi控制站ControlStation水库Reservoir行洪区Flood-RunArea蓄洪区Flood-StoreArea上下六方堤LiuFangDi磨子潭水库佛子岭水库响洪甸水库梅山水库鲇鱼山水库南湾水库宿鸭湖水库板桥水库薄山水库淮河中上游水库分布图国家高性能计算中心（合肥）732023/3/93.高性能计算的典型应用（22）基于曙光1000的淮河中上游九大水库调度模型（2）计算原理根据实时水情信息和下游防洪点的承受能力，结合防洪体系联合调度的需求，生成实际的调度模型利用动态规划方法求解水库群联合调度模型，其中嵌套求解单库调度模型输入：各水库的入流过程、调洪参数输出：各水库的出流过程、防洪点的水位-流量过程国家高性能计算中心（合肥）742023/3/93.高性能计算的典型应用（23）基于曙光1000的淮河中上游九大水库调度模型（3）群库联合调度结果（1）初始条件（2）调度结果国家高性能计算中心（合肥）752023/3/93.高性能计算的典型应用（24）基于曙光1000的淮河中上游九大水库调度模型（4）调度后各水库的出入流过程国家高性能计算中心（合肥）762023/3/93.高性能计算的典型应用（25）基于曙光2000A的MM4并行化（1）实现目标配合中美气象合作，基于曙光2000A国产并行计算机，对MM4进行并行化与安徽省气象局合作，研究MM4对江淮气旋、梅雨锋的适应性实现对暴雨、冰雹的定点、定时、定量预报国家高性能计算中心（合肥）772023/3/93.高性能计算的典型应用（26）基于曙光2000A的MM4并行化（2）对MM4进行并行化，并使其具有较好的可扩放性及较大的加速比研究MM4对江淮气旋、梅雨锋的适应性实现

“定点、定时、定量”降水预报国家高性能计算中心（合肥）782023/3/93.高性能计算的典型应用（27）基于曙光2000A的MM4并行化（3）成功应用案例在芜湖长江大桥主桥墩1万立方混凝土浇铸中，成功提供“三定”气象服务成功预报淮南凤台地区的冰雹灾害天气国家高性能计算中心（合肥）792023/3/93.高性能计算的典型应用（28）2007年淮河抗洪现场王家坝闸姜塘湖淮河王家坝段淮南凤台国家高性能计算中心（合肥）802023/3/93.高性能计算的典型应用（29）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（1）问题描述油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。油田注水后，水和油会在地下混杂在一起，这就需要我们确定地下有油和水的分布情况，从而便于开采。由于测量技术有限，我们只能在井筒中测量，而对于地下性质及流动则只能采用数值计算的方法。国家高性能计算中心（合肥）812023/3/93.高性能计算的典型应用（30）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（2）解决方法通过油气井射孔技术在井下打若干孔眼。射孔技术：为防止油井坍塌，必须使用铁管将井壁稳定，再通过射孔将地层与油管的通道打开。测量孔眼处流体的相关数据（压力）。建立相应的流体计算模型。采用大规模数值计算，模拟油水分布变化。计算密集型应用水饱和度随时间的变化国家高性能计算中心（合肥）822023/3/93.高性能计算的典型应用（31）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（3）影响计算的相关因素油井数量庞大井距一般超过100米地层结构复杂有断层纵向有多个层段为方便流体流动需要注入聚合物等这些条件都会影响到计算的复杂度真实的井位布置图，井矩一般超过百米，白线表示井地层中有断层，纵向还有多个层段，需要描述国家高性能计算中心（合肥）832023/3/93.高性能计算的典型应用（32）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（4）串行算法的复杂度（1）对于油气井射孔，如果1000米长的水平井，每米10孔，孔眼为1万；考虑多相流体、考虑边界、考虑水平及纵向地层差异等，使得流体计算的模型变得十分复杂。国家高性能计算中心（合肥）842023/3/93.高性能计算的典型应用（33）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（5）串行算法的复杂度（2）单一孔眼的网格数量达21万，单一孔眼每个时间步计算耗时达2.12小时。1万个孔眼同时流动，计算1年内的变化情况，计算耗时达1万多年。国家高性能计算中心（合肥）852023/3/93.高性能计算的典型应用（34）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（6）优化计算方法将孔眼看成线源（孔眼为mm量级，地层为公里量级）。将复杂的压力方程以求和、乘积、积分形式表示，这个解非常适合并行计算。国家高性能计算中心（合肥）862023/3/93.高性能计算的典型应用（35）3.2.2

高性能计算在油气井射孔优化中的应用（7）算法在KD-50-I上的运行情况发现每个节点的cpu利用率都很高，这对射孔完井地层的有效计算具有现实的理论意义，因为从理论上来说，只要有足够多的节点，就可以实现地层的精细计算。国家高性能计算中心（合肥）872023/3/93.高性能计算的典型应用（36）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（1）数字油田的特点数据量庞大：横向上涵盖整个油田地域，纵向上从地面到地下的多层次信息复杂的科学计算：无论盆地模拟、油藏描述、圈闭管理、油藏数值模拟等都需要进行计算、统计、模拟，最终以图形、表格、文字等形式表达结果多学科的技术集成：通过综合研究实现定量化、集成化、可视化及个性化国家高性能计算中心（合肥）882023/3/93.高性能计算的典型应用（37）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（2）数字油田的特点-技术特点定量化国家高性能计算中心（合肥）892023/3/93.高性能计算的典型应用（38）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（3）数字油田的特点集成化国家高性能计算中心（合肥）902023/3/93.高性能计算的典型应用（39）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（4）数字油田的特点可视化国家高性能计算中心（合肥）912023/3/93.高性能计算的典型应用（40）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（5）数字油田的特点个性化国家高性能计算中心（合肥）922023/3/93.高性能计算的典型应用（41）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（6）油藏数值模拟简介国家高性能计算中心（合肥）932023/3/93.高性能计算的典型应用（42）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（7）油藏数值模拟简介油藏模拟的过程物理问题研究：假设的

合理性及其局限性定量化①合理地抽象简化假设②根据基本定理形成数学方程③三大基本定理：质量守恒定理——连续性方程

动量守恒定理——达西定理

能量守恒定理——虎克定理国家高性能计算中心（合肥）942023/3/93.高性能计算的典型应用（43）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（8）油藏数值模拟简介油藏模拟的过程数学模型

自然界的物理现象，常可以抽象成某种数学表达式来描述他的变化规律，即一组带有合适出示条件和边界条件的偏微分方程组①②③研究：截断误差

与稳

定性离散化国家高性能计算中心（合肥）952023/3/93.高性能计算的典型应用（44）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（9）油藏数值模拟简介油藏模拟的过程数值模型

对微分做出近似式，得到适合于用计算机求解的代数方程组计算模型求解数值模型的一组程序，或称数值模拟软件系统研究：收敛性与

收敛

速度①线性化方法②求解方法常微分方程组解法：欧拉法、龙格-库塔法直接法：高斯-赛德尔，各种超松式、交替

方向隐式、强隐式，预处理+不完分解并行算法：区域分解③算法语言：FORTRAN、C机器语言化国家高性能计算中心（合肥）962023/3/93.高性能计算的典型应用（45）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（10）油藏数值模拟简介油藏模拟的主要步骤国家高性能计算中心（合肥）972023/3/93.高性能计算的典型应用（46）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（11）油藏数值模拟简介油藏模拟的发展总趋势由结构网格向非结构网格发展：精细描述需要考虑复杂边界、复杂砂体、断层、尖灭、直井、斜井、水平井、裂缝、断层及其干扰，结构网格已无法描述由百万节点向千万节点发展：长期开发导致剩余油分布凌乱，计算描述必须非常精细，而精细描述导致计算网格数量急剧增加到千万节点寻找并行、高效的数值计算方法：并行、高效的数值计算方法是解决千万节点数值模拟的关键，如代数多重网格（AMG）及AMG+ILU的预处理等地层—井筒—地面集输一体化模拟：需要考虑多尺度网格、地层渗流、井筒垂直管流及地面水平管流等，计算规模更大，模拟更接近实际国家高性能计算中心（合肥）982023/3/93.高性能计算的典型应用（47）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（12）千万节点数值模拟千万节点数值模拟解决方案千万节点数值模拟复杂形状非结构网格千万节点方程离散非对称矩阵的求解海量计算数据可视化将一个大规模的问题分为许多个小问题在不同的处理器上同时运行，

成千上万CPU另一个可行的方向就是多尺度方法，也需要并行。2种解决方案国家高性能计算中心（合肥）992023/3/93.高性能计算的典型应用（48）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（13）千万节点数值模拟非结构网格的划分及其并行化方法非结构网格的划分复杂边界、复杂砂体、断层、尖

灭、直井、斜井、水平井、裂缝

、断层及其干扰的PEBI网格划分

算法；采用多尺度网格划分方法，以减

少网格数量，提高计算效率；结合砂体、断层等油藏特征的区

域划分方法，在每个区域上的并

行布点方法；并行PEBI网格划分方法（对每个

区域）；不同区域的网格合成方法，以形

成整个油藏的网格。国家高性能计算中心（合肥）1002023/3/93.高性能计算的典型应用（49）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（14）千万节点数值模拟非结构网格的划分及其并行化方法并行划分国家高性能计算中心（合肥）1012023/3/93.高性能计算的典型应用（50）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（15）千万节点数值模拟离散算法及其并行实现

采用控制体积分进行离散，离散算法的并行化策略与网格划分的并行策略相似。其中国家高性能计算中心（合肥）1022023/3/93.高性能计算的典型应用（51）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（16）千万节点数值模拟线性方程求解及可视化采用Newton迭代求解，合理组合AMG预处理、ILU预处理，再利用GMRES方法进行求解。采用的并行技术路线为：代数多重网格AMG预处理：采用RS算法对每处理机所含网格点进行粗化，然后处理边界网格点。千万节点网格可以简化为百万量级甚至几十万量级；将矩阵A划分到每个处理器上，划分到每个处理器上的节点分成两类:只与本地处理器上节点相连的内部节点和与其他处理器有关系的边界节点，然后每个处理器独立地分解其内部的节点，最后对剩下的节点进行处理。通过这些处理，有望数小时内完成千万网格节点的数值模拟。科学计算可视化千万节点数值模拟流场显示、压力及饱和度等值线需要并行处理国家高性能计算中心（合肥）1032023/3/93.高性能计算的典型应用（52）3.2.3

高性能计算在数字油田中的应用（17）千万节点数值模拟千万网格节点大规模计算小结：非结构网格可对复杂区域实现精细划分代数多重网格技术将计算规模从千万降低到百万甚至几十万高效的并行计算技术有望实现数小时内完成千万节点的数值模拟得到