高性能計算的現狀和發展解決方案中心高性能計算方案部目錄高性能計算的主流解決方案介紹高性能計算發展介紹1高性能計算應用領域介紹23什么是高性能計算？高性能計算HPC：HighPerformanceCompute高性能計算---并行計算并行計算(ParallelComputing）高端計算(High-endParallelComputing)高性能計算(HighPerformanceComputing)超級計算(SuperComputing)

“進入21世紀以來，計算方法與分子模擬、虛擬實驗，已經繼實驗方法、理論方法之后，成為第三個重要的科學方法，對未來科學與技術的發展，將起著越來越重要的作用。”——徐光憲院士

在許多情況下，或者是理論模型復雜甚至理論尚未建立，或者實驗費用昂貴甚至無法進行時，計算就成了求解問題的唯一或主要的手段。高性能計算的重要性ComputationalR&Disgrowinginrelativeimportance203019951995:10%modeling90%experiment20022002:20%modeling80%experiment2030:50%modeling50%experiment高性能計算的重要性為什么要做高性能計算？--應用的驅動人類對計算及性能的要求是無止境的從系統的角度：集成系統資源，以滿足不斷增長的對性能和功能的要求從應用的角度：適當分解應用，以實現更大規模或更細致的計算問題:科學和工程問題的數值模擬與仿真計算密集數據密集網絡密集三種混合高性能的各類應用為什么要做高性能計算

——應用需求高性能計算結構模型高性能計算架構變化數據來源：2010TOP500排行榜高性能計算網絡發展數據來源：2010TOP500排行榜高性能集群操作系統份額數據來源：2010TOP500排行榜衡量高性能系統性能的評價指標

-----理論峰值（FLOPS）FLOPS（浮點運算每秒）1、如何計算理論峰值：

峰值＝主頻(GHz)*總核心數*4(4代表每個時鐘周期做4次浮點運算)

例如：10個AMD雙路12核刀片（CPU6174，主頻2.2）

總核心數＝10×2×12＝240

峰值＝2.2×240×4＝2112GFLOPS＝2.1TFLOPS=2.1萬億次。GPU峰值：

每C2050卡雙精度峰值＝0.515TFLOPS單精度峰值＝1.03TFOPS

雙精度峰值＝0.515*GPGPU卡數目（TFLOPS）

單精度峰值＝1.03*GPGPU卡數目（TFLOPS）衡量高性能系統性能的評價指標

-----實測峰值（FLOPS）HPL(Linpach)測試

---對系統進行整體計算能力的評價Linapck測試：采用主元高斯消去法求解雙精度稠密線性代數方程組，結果按每秒浮點運算次數（flops）表示。HPL：針對大規模并行計算系統的測試，其名稱為HighPerformanceLinpack

(HPL)，是第一個標準的公開版本并行Linpack測試軟件包，用于TOP500與國內TOP100排名依據。使用者可以改變問題規模。有相當大的優化空間。衡量高性能系統性能的評價指標

-----系統效率系統效率=實測峰值/理論峰值

如何提高效率：

（1）通過優化網絡

（2）通過優化測試程序的編譯與設置

（3）通過優化內存的配置與容量

（4）通過優化運行參數及系統參數！

目前:一套通過Infiniband網絡互連的集群，效率一般在70%以上。

加速比定律在并行計算系統，并行算法（并行程序）的執行速度相對于串行算法（串行程序）加快的倍數，就是該并行算法（并行程序）的加速比；加速比是衡量“并行收益”的重要指標；Amdahl定律適用于固定計算規模的加速比性能描述，Gustafson定律適用于可擴展問題。

目錄高性能計算的主流應用介紹高性能計算發展介紹1高性能計算應用領域介紹23CAE（CFD）石油勘探氣象環境海洋圖像渲染物質的物理化學材料屬性的科研工作中基因科學、蛋白質科學的研究以及新藥的研發地震資料處理，用于油氣勘探氣象環境海洋的數值預報動畫、電影、圖像的高逼真效果制作物理化學材料生命科學六大應用領域高性能計算在國內的六大應用領域計算機輔助工程，廣泛應用于工業生產中其它：衛星圖像處理、金融計算等一CAE仿真介紹前處理采用各種CAD工具，建立幾何模型，劃分計算網格后處理顯示計算結果，評估產品性能求解指定荷載和邊界條件，提交給計算服務器進行分析分析的過程:隱式結構力學MSC.NASTRANMARCANSYSABAQUS/StandardADINA顯式結構力學LS-DYNAPAM-CRASHDYTRANABAQUS/Explicit多體動力學ADAMS計算流體力學FLUENTSTAR-CD/HPCPowerFLOWCFXCFD-Fastran計算電磁學FEKOANSOFT聲學分析SYSNOISECAE仿真介紹各種理論模擬方法的適用范圍最大原子數可計算量分子力學2000~100萬粗略的幾何結構半經驗500~2000幾何結構(有機分子)HF(DFT)50~500能量(含過渡金屬)MP220~50能量(弱,氫鍵)CCSD(T)10~20精確能量(弱作用)CASPT2<10磁性(多個多重度)二物理化學材料應用介紹適合周期體系的計算軟件VASPABINITCPMDPWSCF(ESPRESSO)適合非周期體系的計算軟件GAUSSIAN03GAMESS-US(PC-GAMESS)二物理化學材料應用介紹序列搜尋與比對原理HIPDWYLAGHIF序列搜尋DFPLAGHIFDWYHIPDWYLAGHIFHIPDWYLAdfFGHIFHIPDWYLAGHIFYIPDWYLAGHIFHIPDWYLAGHIF

DFPLAGHIFDWYHGFL--AGHIFAWY---------PLAGHIFDWHGH三生命科學應用介紹分子動力學模擬SimulatinganEntireLifeForm，usingcoarse-grainedmoleculardynamicssimulationssimulationofanentireribosome,thecell'sproteinfactory,comprising3,000,000atomswhensolvated.onanIBMBlueGeneWiththeCray

XT3they’vebeenabletorunefficiently,usingsoftwarecalledNAMD,withasmanyas1,024processors.“TheXT3hasbeenamazing,”saysBlood.“Wehaven’tfoundahardlimitonscalingupthenumberofprocessors.”三生命科學應用介紹測序數據處理準備試劑儀器測序數據分析三生命科學應用介紹主流模式分析氣象海洋領域程序模式眾多，我們不但要熟悉我們的硬件還要熟悉這些眾多的軟件的特點以及在不同平臺上的性能差異；氣象常用模式：MM5、WRF、GRAPES、AREMS、LAPS、ARPS、T106等海洋常用模式：FVCOM、HYCOM、ECOMSED、ECOM、POP、MOM4、MITgcm、CCSM3，roms等環境常用模式：CMAQ等25四氣象、環境、海洋數值預報應用介紹業務系統流程圖四氣象、環境、海洋數值預報應用介紹采集獲得地面單炮記錄處理完成地下構造成像解釋完成構造成圖和建議井位鉆探確認真偽激發地震波接收反射波油氣勘探背景27五石油勘探應用介紹曙光石油勘探計算中心解決方案28五石油勘探應用介紹渲染（Render）：作為計算機數字圖像（CG）處理中的一道重要工序，經過Render這個程序，我們將模型或者場景輸出成圖像文件、視頻信號或者電影膠片。這里的渲染有別于3D顯示領域的實時(real-time)渲染，而是靜態渲染或者離線(off-line)渲染。29渲染六圖像渲染應用介紹主流三維建模軟件

Maya、3DsMax、Softimage、Lightwave、Houdini、Cinema4D等常用渲染器Vray，MentalRay，Mayasoftware，渲染分發管理軟件

Muster、Enfuzion3D、Qube等集群管理系統

Linux+Gridview、WHS2008等存儲子系統NAS、SAN、DawningLoongStore等其他技術支撐30渲染集群應用技術六圖像渲染應用介紹目錄高性能計算的主流解決方案介紹高性能計算發展介紹1高性能計算應用領域介紹23系統軟件層基礎設施層IT核心硬件層存儲系統計算系統網絡系統操作系統作業調度軟件、管理系統并行環境編譯器、數學庫、MPI網絡PC機筆記本平板電腦瘦客戶端工作站應用軟件層生命科學CAE仿真功能節點空調系統物理化學氣象海洋配電系統防雷系統機房裝修機柜及KVM石油勘探動漫渲染應用Portal高性能計算機系統架構千兆交換機局域網Internet路由器防火墻遠程控制內網外網以太網交換機控制臺本地KVM以太網光纖網Infiniband網KVM管理網登陸/管理節點機房環境并行存儲系統高速Inifiniband交換機

刀片集群GPGPU節點計算系統存儲系統

SMP胖節點2算例上傳作業提交本地建模1本地建模1101100011010100100010010010010011000110101001000100100110001101010010001001001100011010100100010010000100100110001101010000100100110001101010000100100110001101010000100100110001101010作業運行3數據訪問與存儲4系統管理與用戶管理5高性能計算作業的工作流程高性能計算機中的關鍵技術一計算系統二基礎設施三功能節點四存儲系統五網絡系統六操作系統七管理調度軟件八并行環境九應用軟件一計算系統主流解決方案

----SMP節點+刀片集群刀片集群SMP胖節點二功能節點主流解決方案

----普通標準服務器管理節點IO節點用于運行系統級的管理軟件，性能要求不高，但可靠性要求高，數量少用于連接存儲設備，提供共享存儲空間。小型項目，使用單一IO節點提供NFS解決。大中型，使用并行文件系統，多個IO節點和存儲空間解決IO瓶頸登陸節點用于用戶登陸集群，在集群上實現作業提交，文件上傳，編輯，程序編譯等操作。可靠性要求高，數量少管理節點登陸節點IO節點三網絡系統主流解決方案

----千兆管理網+Infiniband高速網計算網絡:對性能有較高問題，具有高帶寬低延時的Infiniband網絡可用很好解決這一問題。對于部分對網絡性能要求不高的領域，比如石油、渲染等領域，配置線速互聯的千兆以太網。

管理網絡:

對性能要求較低，主要用于系統管理，用戶登陸等操作。一般配置千兆以太網交換機與刀片交換模塊互聯。四操作系統主流解決方案----Linux企業版開源高效多用戶界面友好兼容性強五作業調度及系統管理解決方案

單一系統映象集群松散結構的整合系統資源整合軟硬件資源的整合，異構資源整合多用戶的管理用戶提交的任務的統一安排，避免沖突用戶權限的管理對用戶進行各類