世界高性能计算现状与发展

高性能计算的现状和发展解决方案中心高性能计算方案部目录高性能计算的主流解决方案介绍高性能计算发展介绍1高性能计算应用领域介绍23什么是高性能计算？高性能计算HPC：HighPerformanceCompute高性能计算---并行计算并行计算(ParallelComputing）高端计算(High-endParallelComputing)高性能计算(HighPerformanceComputing)超级计算(SuperComputing)

“进入21世纪以来，计算方法与分子模拟、虚拟实验，已经继实验方法、理论方法之后，成为第三个重要的科学方法，对未来科学与技术的发展，将起着越来越重要的作用。”——徐光宪院士

在许多情况下，或者是理论模型复杂甚至理论尚未建立，或者实验费用昂贵甚至无法进行时，计算就成了求解问题的唯一或主要的手段。高性能计算的重要性ComputationalR&Disgrowinginrelativeimportance203019951995:10%modeling90%experiment20022002:20%modeling80%experiment2030:50%modeling50%experiment高性能计算的重要性为什么要做高性能计算？--应用的驱动人类对计算及性能的要求是无止境的从系统的角度：集成系统资源，以满足不断增长的对性能和功能的要求从应用的角度：适当分解应用，以实现更大规模或更细致的计算问题: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高性能的各类应用为什么要做高性能计算

——应用需求高性能计算结构模型高性能计算架构变化数据来源：2010TOP500排行榜高性能计算网络发展数据来源：2010TOP500排行榜高性能集群操作系统份额数据来源：2010TOP500排行榜衡量高性能系统性能的评价指标

-----理论峰值（FLOPS）FLOPS（浮点运算每秒）1、如何计算理论峰值：

峰值＝主频(GHz)*总核心数*4(4代表每个时钟周期做4次浮点运算)

例如：10个AMD双路12核刀片（CPU6174，主频2.2）

总核心数＝10×2×12＝240

峰值＝2.2×240×4＝2112GFLOPS＝2.1TFLOPS=2.1万亿次。GPU峰值：

每C2050卡双精度峰值＝0.515TFLOPS单精度峰值＝1.03TFOPS

双精度峰值＝0.515*GPGPU卡数目（TFLOPS）

单精度峰值＝1.03*GPGPU卡数目（TFLOPS）衡量高性能系统性能的评价指标

-----实测峰值（FLOPS）HPL(Linpach)测试

---对系统进行整体计算能力的评价Linapck测试：采用主元高斯消去法求解双精度稠密线性代数方程组，结果按每秒浮点运算次数（flops）表示。HPL：针对大规模并行计算系统的测试，其名称为HighPerformanceLinpack

(HPL)，是第一个标准的公开版本并行Linpack测试软件包，用于TOP500与国内TOP100排名依据。使用者可以改变问题规模。有相当大的优化空间。衡量高性能系统性能的评价指标

-----系统效率系统效率=实测峰值/理论峰值

如何提高效率：

（1）通过优化网络

（2）通过优化测试程序的编译与设置

（3）通过优化内存的配置与容量

（4）通过优化运行参数及系统参数！

目前:一套通过Infiniband网络互连的集群，效率一般在70%以上。

加速比定律在并行计算系统，并行算法（并行程序）的执行速度相对于串行算法（串行程序）加快的倍数，就是该并行算法（并行程序）的加速比；加速比是衡量“并行收益”的重要指标；Amdahl定律适用于固定计算规模的加速比性能描述，Gustafson定律适用于可扩展问题。

目录高性能计算的主流应用介绍高性能计算发展介绍1高性能计算应用领域介绍23CAE（CFD）石油勘探气象环境海洋图像渲染物质的物理化学材料属性的科研工作中基因科学、蛋白质科学的研究以及新药的研发地震资料处理，用于油气勘探气象环境海洋的数值预报动画、电影、图像的高逼真效果制作物理化学材料生命科学六大应用领域高性能计算在国内的六大应用领域计算机辅助工程，广泛应用于工业生产中其它：卫星图像处理、金融计算等一CAE仿真介绍前处理采用各种CAD工具，建立几何模型，划分计算网格后处理显示计算结果，评估产品性能求解指定荷载和边界条件，提交给计算服务器进行分析分析的过程:隐式结构力学MSC.NASTRANMARCANSYSABAQUS/StandardADINA显式结构力学LS-DYNAPAM-CRASHDYTRANABAQUS/Explicit多体动力学ADAMS计算流体力学FLUENTSTAR-CD/HPCPowerFLOWCFXCFD-Fastran计算电磁学FEKOANSOFT声学分析SYSNOISECAE仿真介绍各种理论模拟方法的适用范围最大原子数可计算量分子力学2000~100万粗略的几何结构半经验500~2000几何结构(有机分子)HF(DFT)50~500能量(含过渡金属)MP220~50能量(弱,氢键)CCSD(T)10~20精确能量(弱作用)CASPT2<10磁性(多个多重度)二物理化学材料应用介绍适合周期体系的计算软件VASPABINITCPMDPWSCF(ESPRESSO)适合非周期体系的计算软件GAUSSIAN03GAMESS-US(PC-GAMESS)二物理化学材料应用介绍序列搜寻与比对原理HIPDWYLAGHIF序列搜寻DFPLAGHIFDWYHIPDWYLAGHIFHIPDWYLAdfFGHIFHIPDWYLAGHIFYIPDWYLAGHIFHIPDWYLAGHIF

DFPLAGHIFDWYHGFL--AGHIFAWY---------PLAGHIFDWHGH三生命科学应用介绍分子动力学模拟SimulatinganEntireLifeForm，usingcoarse-grainedmoleculardynamicssimulationssimulationofanentireribosome,thecell'sproteinfactory,comprising3,000,000atomswhensolvated.onanIBMBlueGeneWiththeCray

XT3they’vebeenabletorunefficiently,usingsoftwarecalledNAMD,withasmanyas1,024processors.“TheXT3hasbeenamazing,”saysBlood.“Wehaven’tfoundahardlimitonscalingupthenumberofprocessors.”三生命科学应用介绍测序数据处理准备试剂仪器测序数据分析三生命科学应用介绍主流模式分析气象海洋领域程序模式众多，我们不但要熟悉我们的硬件还要熟悉这些众多的软件的特点以及在不同平台上的性能差异；气象常用模式：MM5、WRF、GRAPES、AREMS、LAPS、ARPS、T106等海洋常用模式：FVCOM、HYCOM、ECOMSED、ECOM、POP、MOM4、MITgcm、CCSM3，roms等环境常用模式：CMAQ等25四气象、环境、海洋数值预报应用介绍业务系统流程图四气象、环境、海洋数值预报应用介绍采集获得地面单炮记录处理完成地下构造成像解释完成构造成图和建议井位钻探确认真伪激发地震波接收反射波油气勘探背景27五石油勘探应用介绍曙光石油勘探计算中心解决方案28五石油勘探应用介绍渲染（Render）：作为计算机数字图像（CG）处理中的一道重要工序，经过Render这个程序，我们将模型或者场景输出成图像文件、视频信号或者电影胶片。这里的渲染有别于3D显示领域的实时(real-time)渲染，而是静态渲染或者离线(off-line)渲染。29渲染六图像渲染应用介绍主流三维建模软件

Maya、3DsMax、Softimage、Lightwave、Houdini、Cinema4D等常用渲染器Vray，MentalRay，Mayasoftware，渲染分发管理软件

Muster、Enfuzion3D、Qube等集群管理系统

Linux+Gridview、WHS2008等存储子系统NAS、SAN、DawningLoongStore等其他技术支撑30渲染集群应用技术六图像渲染应用介绍目录高性能计算的主流解决方案介绍高性能计算发展介绍1高性能计算应用领域介绍23系统软件层基础设施层IT核心硬件层存储系统计算系统网络系统操作系统作业调度软件、管理系统并行环境编译器、数学库、MPI网络PC机笔记本平板电脑瘦客户端工作站应用软件层生命科学CAE仿真功能节点空调系统物理化学气象海洋配电系统防雷系统机房装修机柜及KVM石油勘探动漫渲染应用Portal高性能计算机系统架构千兆交换机局域网Internet路由器防火墙远程控制内网外网以太网交换机控制台本地KVM以太网光纤网Infiniband网KVM管理网登陆/管理节点机房环境并行存储系统高速Inifiniband交换机

刀片集群GPGPU节点计算系统存储系统

SMP胖节点2算例上传作业提交本地建模1本地建模1101100011010100100010010010010011000110101001000100100110001101010010001001001100011010100100010010000100100110001101010000100100110001101010000100100110001101010000100100110001101010作业运行3数据访问与存储4系统管理与用户管理5高性能计算作业的工作流程高性能计算机中的关键技术一计算系统二基础设施三功能节点四存储系统五网络系统六操作系统七管理调度软件八并行环境九应用软件一计算系统主流解决方案

----SMP节点+刀片集群刀片集群SMP胖节点二功能节点主流解决方案

----普通标准服务器管理节点IO节点用于运行系统级的管理软件，性能要求不高，但可靠性要求高，数量少用于连接存储设备，提供共享存储空间。小型项目，使用单一IO节点提供NFS解决。大中型，使用并行文件系统，多个IO节点和存储空间解决IO瓶颈登陆节点用于用户登陆集群，在集群上实现作业提交，文件上传，编辑，程序编译等操作。可靠性要求高，数量少管理节点登陆节点IO节点三网络系统主流解决方案

----千兆管理网+Infiniband高速网计算网络:对性能有较高问题，具有高带宽低延时的Infiniband网络可用很好解决这一问题。对于部分对网络性能要求不高的领域，比如石油、渲染等领域，配置线速互联的千兆以太网。

管理网络:

对性能要求较低，主要用于系统管理，用户登陆等操作。一般配置千兆以太网交换机与刀片交换模块互联。四操作系统主流解决方案----Linux企业版开源高效多用户界面友好兼容性强五作业调度及系统管理解决方案

单一系统映象集群松散结构的整合系统资源整合软硬件资源的整合，异构资源整合多用户的管理用户提交的任务的统一安排，避免冲突用户权限的管理对用户进行各类