高性能计算(HPC)概况及应用介绍
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及美国国家能源研究科学计算中心每年6 月和11 月两次发布全世 界最强大计算机系统的排名。 TOP500 排名一直是高性能计算机发展现状的缩影。
【二】高性能计算之华山论剑 高性能计算系统发展-2017.Nov-TOP500 List
【二】高性能计算之华山论剑
TOP500-2017.Nov-含加速器系统性能
【二】高性能计算之华山论剑
超算届的下一顶皇冠——中国E级超算即将问世： 美国Summit即将引领的是十亿亿次级别的争夺，而速度达到百亿亿次级别的E级
超算才被公认是“超算界的下一顶皇冠”。国内现在同时启动了三大百亿亿次超 算研发，分别是国防科大/天津超算中心的天河三号、中科曙光的E级超算以及江 南所/济南超算中心的神威E级。
【一】高性能计算概述
高性能计算(High performance computing，缩写HPC)，高性能计算机是计算 机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。
国家高性能计算中心（合肥）于1995年9月5日通过国家验收，开始正式运行， 是我国第一个国家级的高性能计算研究中心，现在在天津、长沙、济南、广州、 深圳、无锡、郑州7座国家级超算中心。2016年6月，我国自主研制的“神威·太湖 之光”登世界超级计算机500强之首，国家超级计算无锡中心成立。
高性能计算新兴应用领域： 基因测序研究 证券指数计算 动漫渲染 互联网与深度学习
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之生物学研究： 20世纪后期，基因组学及后基因组学的迅猛发展，无论从数量上还是质量
上都极大地丰富了生物科学的计算资源，数据资源的极大膨胀迫使人们寻求一 种强有力的工具来分析这些数据，从海量的生物学数据中寻求生物学规律，这 些规律是解释生命之谜的关键。由此产生了一门新兴的学科——生物信息学。
理论浮点峰值：计算机理论上能达到的每秒钟能完成的浮点计算最大次数， 主要由CPU的主频、数量和类型决定。
实测浮点峰值：计算机实际测试中达到的每秒钟能完成的浮点计算最大次数。 集群效率：集群效率=实测浮点峰值/理论浮点峰值*100% Linpack：国际上最流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的benchmark
1. “神威·太湖之光”和“天河二号A”（天河二号升级系统）仍占据榜单前两位， 联想深腾 8800 系列占据了3~8 名，天河一号A及部署在国家超级计算济南中心 的神威E级原型机位列第9、10 名。
2. 2018 年榜单中的 100 台系统仅剩余 45 台。 3. 本次发布的榜单中，100% 为国产高性能计算机系统，这也是继 2018 年之后，
【二】高性能计算之华山论剑
TOP500-2017.Nov-不同国家总的系统性能
【二】高性能计算之华山论剑
【二】高性能计算之华山论剑
Summit超级计算机1分钟计算能力， 相当于全球75亿人同时用普通计算器 不间断计算45年，如果让1个人一秒 计算一次的话，需要花63亿年才能达 到顶点超级计算机1秒的计算量，可 以说顶点超级计算机运算能力是非常 的强大。
Summit超算系统由4608台计算服 务器组成，每个服务器包含两个22核 Power9处理器（IBM生产）和6个Tesla V100图形处理单元加速器（NVIDIA生 产），内存达到了丧心病狂的10PB， 功率达到了10096kW！！！
【二】高性能计算之华山论剑
风冷液冷方案对比分析
【二】高性能计算之华山论剑
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之气象学研究：
气候环境研究是高性能计算领域的 传统应用，世界上第一台电子计算机 ENIAC就曾被用来进行天气预报，由于 气象相关预报往往关系到农业、工业、 军事、交通等众多核心关键业务，同时 预报天气所需要的计算能力非常高，因 此世界上最先进的高性能计算机通常都 被用来运行大规模的数值计算与气候模 拟应用。
1、能耗分析 相同节点浸没液冷服务器方案功耗比风冷服务器方案低80%，其节能效果明显。 通过计算，其PUE值也明显低于风冷服务器方案。 浸没式液冷服务器PUE=1.046 风冷服务器PUE=1.361 2、占地面积分析 以上表格所指面积为投影面积，由此可见，同等节点服务器部署，浸没液冷服务 器方案比风冷服务器方案节约用地约85%。
2018年11月发布的中国TOP100的行业应用领域来看，2018年国内高性能计算主 要分布在互联网大数据/深度学习、互联网服务/云计算、网络安全、科学计算、超 算中心、政府电信、气象石油和工业制造8个领域，互联网大数据/深度学习（占 27%），互联网服务/云计算第二（占20%）；科学计算（占17%）分列前三。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算不足与展望： 虽然我国高性能计算机系统的研制水平已经跻身国际领先行列，近年来多
次夺得国际高性能计算机Top500榜首，但是高性能计算应用水平与国际先进国 家仍有较大差距，应用软件还没有形成体系，没有形成解决普适性问题的能力， 提出以下三点建议和展望：
2013年5月14日，安吉丽娜·朱莉在自 己写的文章《我的医疗选择》中称自己通 过基因检测确定带遗传缺陷基因BRCA1，医 生估测她患乳腺癌和卵巢癌的几率颇高， 分别为87%和50%，朱莉选择双侧乳腺切除 术保留乳房，降低患癌风险。2015年3月24 日，安吉丽娜·朱莉宣布，由于担心罹患卵 巢癌，她已经切除了卵巢和输卵管。
• 加速比较好 • 海量内存需求 • 部分软件协处
理器加速效果 明显
广泛的应用领域：涉及航空、航天、汽车、船舶、精密仪器、制造业等领域
【三】高性能计算应用与展望
航空领域高性能计算案例:
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【三】高性能计算应用与展望
航天领域高性能计算案例:
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【三】高性能计算应用与展望
早在1989年三月，美国在一份国防关 键技术报告中明确将“并行处理”列为22 项重大项目的第3项，日本政府则将并行技 术与软件工程和人工智能并列为重点发展 的三大技术。
【一】高性能计算概述
高性能计来自百度文库常用概念：
FLOPS：浮点运算次数/秒，例如1GFLOPS即10亿次浮点运算，1E=1000P， 1P=1000T，1T=1000G；
超算的前世今生： 没有最快，只有更快
目录
一 高性能计算概述 二 高性能计算之华山论剑 三 高性能计算应用与展望
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 早期“计算机”，最早可以追溯 到文艺复兴时期，特征是基于机 械运行的方式，没有计算机的灵 魂——逻辑运算；
➢ 第一代计算机，1943-1959，特征 是使用真空电子管，所有程序都是 用机器码编写，使用穿孔卡片,以 ENIAC为代表；
为什么石油勘探需要高性能计算机？ 一句话回答就是：石油勘探的数据量和 计算规模要求它必须用高性能计算机。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之动漫渲染：
➢ 《阿凡达》用的是六千个处理器渲 染，用了一年的时间。如果我们用 一台普通电脑，需要用一万年，并 且这一万年过程当中还不能出错。
➢ 《本杰明巴顿奇事》电影中一个多小 时的镜头中，由布拉德皮特饰演的本 杰明脖子以上的部分完全由计算机生 成，一个完全数字的人体头部！
第二次实现中国超算 TOP100 榜单“全国产”。张云泉介绍称，排在榜单最后一 位的系统性能为 1.556PFLOPS。 4. 厂商份额方面，中科曙光、联想分别以 39 台超算系统入围并列第一，这也是 “中科系双雄”第 5 次并列榜首。曙光、联想、浪潮“国产三强”占据整个榜 单份额的 92%，国防科大、华为、国家并行计算机工程技术研究中心瓜分剩余份 额的8%。 5. 从应用领域来看，“互联网/云计算”和“大数据/机器学习”仍是当下超算的应 用热点，TOP100 的超算系统中共有 34 台系统用于互联网/云计算领域；用于科 学计算的系统今年延续了去年的势头，数量由去年占比 14% 上升为 15%。
【二】高性能计算之华山论剑
高性能计算系统发展现状和趋势小结
高性能计算系统发展迅速 高性能计算系统目前主要基于X86的体系架构 高性能计算系统目前主要基于Linux操作系统 高性能计算系统目前主要基于万兆/IB网络 高性能计算系统中英伟达协处理器加速器为代表发展很快 中国已经跻身TOP500 前列 百亿亿计算能力（E级）高性能计算系统是发展目标
《银河系漫游指南》一台能计算出 一场持续5个星期的沙尘暴中每一颗沙 尘运行轨迹的电脑——“Google星际思 想者”。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之石油勘探领域研究：
“如果你控制了石油，你就控制了所有国家”——基辛格
中国作为目前世界上最大的石油进 口国，如何精准地找到石油一直是石油 人面前最迫切的问题。比方说以前的石 油勘探像看风水一样，打一口井的成本 差不多2亿元人民币，下面有没有油要打 完井以后才知道。但是今天通过超级计 算，相当于给地球做了一个CT，可以精 准的去找油。
【二】高性能计算之华山论剑
3、成本分析： 以下为单台96节点服务器机柜成本核算。其中服务器配置部分，只计算浸没式液 冷服务器方案高于风冷服务器方案的成本差值。 数据机房用电按0.8元/度，服务器全年按使用率60%计算成本如下：
【二】高性能计算之华山论剑
经计算，每年度数据中心用电量，浸没式液冷服务器比风冷服务器每年节省电费 44%。初期投资成本，浸没液冷服务器方案高于风冷服务器。但对比TCO，使用浸 没液冷服务器方案3年即可追平风冷服务器建设成本。如全年服务器使用率更高，浸 没液冷服务器方案可更短时间内追平风冷服务器成本。
（基准测试程序）指标，通过对高性能计算机采用高斯消元法求解一元N次 稠密线性代数方程组的测试。 HPCG（高性能共轭梯度）： HPCG所使用的计算模式与HPL相比,更符合当前 实际应用业务的特点，给出的测试结论对于HPC的发展更有参考价值。
【二】高性能计算之华山论剑
高性能计算系统权威评测机构-
高性能计算机最权威的评测为世界500强排名(TOP500 list)。 该项目始于1993 年，由美国的田纳西大学、德国的曼海姆大学以
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算应用之工程仿真：
隐式结构力学
• 扩展性一般， 部分求解器多 线程并行
• 访存密集，内 存容量性能需 求高
• 高磁盘IO需求
显示结构力学
• 扩展性较好 • 网络通信密集 • 较大磁盘容量
需求
CFD流体力学
• 扩展性较好 • 网络通信密集 • 磁盘IO要求不
高
电磁仿真
CPU必须 国产化
【三】高性能计算应用与展望
面对疫情，深圳超算中心优先调度数以千万计的机时，来服务于疫情相关的 研究工作。给疫情趋势预测、基因测序、药物筛选、病毒疫苗研制等方面研究提供 了强大的算力支撑。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算常见应用领域： 科学计算 能源领域 气象领域 工程仿真
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第二代计算机，1959-1964，大量 采用晶体管和印刷电路板，体积 不断减小，功能不断增强，并出 现大量应用软件；
➢ 第三代计算机，1964-1972，大量 使用集成电路，以IBM360系列为代 表；
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第四代计算机，1972-至今，基于大规模集成电路及超大规模集成电路。1976年， Cray-1，第一台商用高性能计算机问世，集成了20万个晶体管，每秒可进行1.5 亿次浮点运算。
浸没式液冷服务器的应用可明 显降低服务器主板内各电子元器件 的核心温度，能够使CPU，GPU等实 现超频运算，大约可超频5%~15%。 由此，科学中心用户可获得额外收 益。
【二】高性能计算之华山论剑 2019.11.8 首届中国“超级算力大会（ChinaSC）”在京举办
【二】高性能计算之华山论剑
【一】高性能计算概述
【一】高性能计算概述
高性能计算中最为重要的核心技术就 是并行计算（Parallel Computing），开 展并行计算是解决单处理器速度瓶颈的最 好办法之一，它的基本思想是用多个处理 器协同求解同一个问题，开展并行计算有 三个基本条件：具备并行计算机，应用问 题具有并行度，并行编程三个基本条件。
【二】高性能计算之华山论剑 高性能计算系统发展-2017.Nov-TOP500 List
【二】高性能计算之华山论剑
TOP500-2017.Nov-含加速器系统性能
【二】高性能计算之华山论剑
超算届的下一顶皇冠——中国E级超算即将问世： 美国Summit即将引领的是十亿亿次级别的争夺，而速度达到百亿亿次级别的E级
超算才被公认是“超算界的下一顶皇冠”。国内现在同时启动了三大百亿亿次超 算研发，分别是国防科大/天津超算中心的天河三号、中科曙光的E级超算以及江 南所/济南超算中心的神威E级。
【一】高性能计算概述
高性能计算(High performance computing，缩写HPC)，高性能计算机是计算 机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。
国家高性能计算中心（合肥）于1995年9月5日通过国家验收，开始正式运行， 是我国第一个国家级的高性能计算研究中心，现在在天津、长沙、济南、广州、 深圳、无锡、郑州7座国家级超算中心。2016年6月，我国自主研制的“神威·太湖 之光”登世界超级计算机500强之首，国家超级计算无锡中心成立。
高性能计算新兴应用领域： 基因测序研究 证券指数计算 动漫渲染 互联网与深度学习
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之生物学研究： 20世纪后期，基因组学及后基因组学的迅猛发展，无论从数量上还是质量
上都极大地丰富了生物科学的计算资源，数据资源的极大膨胀迫使人们寻求一 种强有力的工具来分析这些数据，从海量的生物学数据中寻求生物学规律，这 些规律是解释生命之谜的关键。由此产生了一门新兴的学科——生物信息学。
理论浮点峰值：计算机理论上能达到的每秒钟能完成的浮点计算最大次数， 主要由CPU的主频、数量和类型决定。
实测浮点峰值：计算机实际测试中达到的每秒钟能完成的浮点计算最大次数。 集群效率：集群效率=实测浮点峰值/理论浮点峰值*100% Linpack：国际上最流行的用于测试高性能计算机系统浮点性能的benchmark
1. “神威·太湖之光”和“天河二号A”（天河二号升级系统）仍占据榜单前两位， 联想深腾 8800 系列占据了3~8 名，天河一号A及部署在国家超级计算济南中心 的神威E级原型机位列第9、10 名。
2. 2018 年榜单中的 100 台系统仅剩余 45 台。 3. 本次发布的榜单中，100% 为国产高性能计算机系统，这也是继 2018 年之后，
【二】高性能计算之华山论剑
TOP500-2017.Nov-不同国家总的系统性能
【二】高性能计算之华山论剑
【二】高性能计算之华山论剑
Summit超级计算机1分钟计算能力， 相当于全球75亿人同时用普通计算器 不间断计算45年，如果让1个人一秒 计算一次的话，需要花63亿年才能达 到顶点超级计算机1秒的计算量，可 以说顶点超级计算机运算能力是非常 的强大。
Summit超算系统由4608台计算服 务器组成，每个服务器包含两个22核 Power9处理器（IBM生产）和6个Tesla V100图形处理单元加速器（NVIDIA生 产），内存达到了丧心病狂的10PB， 功率达到了10096kW！！！
【二】高性能计算之华山论剑
风冷液冷方案对比分析
【二】高性能计算之华山论剑
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之气象学研究：
气候环境研究是高性能计算领域的 传统应用，世界上第一台电子计算机 ENIAC就曾被用来进行天气预报，由于 气象相关预报往往关系到农业、工业、 军事、交通等众多核心关键业务，同时 预报天气所需要的计算能力非常高，因 此世界上最先进的高性能计算机通常都 被用来运行大规模的数值计算与气候模 拟应用。
1、能耗分析 相同节点浸没液冷服务器方案功耗比风冷服务器方案低80%，其节能效果明显。 通过计算，其PUE值也明显低于风冷服务器方案。 浸没式液冷服务器PUE=1.046 风冷服务器PUE=1.361 2、占地面积分析 以上表格所指面积为投影面积，由此可见，同等节点服务器部署，浸没液冷服务 器方案比风冷服务器方案节约用地约85%。
2018年11月发布的中国TOP100的行业应用领域来看，2018年国内高性能计算主 要分布在互联网大数据/深度学习、互联网服务/云计算、网络安全、科学计算、超 算中心、政府电信、气象石油和工业制造8个领域，互联网大数据/深度学习（占 27%），互联网服务/云计算第二（占20%）；科学计算（占17%）分列前三。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算不足与展望： 虽然我国高性能计算机系统的研制水平已经跻身国际领先行列，近年来多
次夺得国际高性能计算机Top500榜首，但是高性能计算应用水平与国际先进国 家仍有较大差距，应用软件还没有形成体系，没有形成解决普适性问题的能力， 提出以下三点建议和展望：
2013年5月14日，安吉丽娜·朱莉在自 己写的文章《我的医疗选择》中称自己通 过基因检测确定带遗传缺陷基因BRCA1，医 生估测她患乳腺癌和卵巢癌的几率颇高， 分别为87%和50%，朱莉选择双侧乳腺切除 术保留乳房，降低患癌风险。2015年3月24 日，安吉丽娜·朱莉宣布，由于担心罹患卵 巢癌，她已经切除了卵巢和输卵管。
• 加速比较好 • 海量内存需求 • 部分软件协处
理器加速效果 明显
广泛的应用领域：涉及航空、航天、汽车、船舶、精密仪器、制造业等领域
【三】高性能计算应用与展望
航空领域高性能计算案例:
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【三】高性能计算应用与展望
航天领域高性能计算案例:
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【三】高性能计算应用与展望
早在1989年三月，美国在一份国防关 键技术报告中明确将“并行处理”列为22 项重大项目的第3项，日本政府则将并行技 术与软件工程和人工智能并列为重点发展 的三大技术。
【一】高性能计算概述
高性能计来自百度文库常用概念：
FLOPS：浮点运算次数/秒，例如1GFLOPS即10亿次浮点运算，1E=1000P， 1P=1000T，1T=1000G；
超算的前世今生： 没有最快，只有更快
目录
一 高性能计算概述 二 高性能计算之华山论剑 三 高性能计算应用与展望
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 早期“计算机”，最早可以追溯 到文艺复兴时期，特征是基于机 械运行的方式，没有计算机的灵 魂——逻辑运算；
➢ 第一代计算机，1943-1959，特征 是使用真空电子管，所有程序都是 用机器码编写，使用穿孔卡片,以 ENIAC为代表；
为什么石油勘探需要高性能计算机？ 一句话回答就是：石油勘探的数据量和 计算规模要求它必须用高性能计算机。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之动漫渲染：
➢ 《阿凡达》用的是六千个处理器渲 染，用了一年的时间。如果我们用 一台普通电脑，需要用一万年，并 且这一万年过程当中还不能出错。
➢ 《本杰明巴顿奇事》电影中一个多小 时的镜头中，由布拉德皮特饰演的本 杰明脖子以上的部分完全由计算机生 成，一个完全数字的人体头部！
第二次实现中国超算 TOP100 榜单“全国产”。张云泉介绍称，排在榜单最后一 位的系统性能为 1.556PFLOPS。 4. 厂商份额方面，中科曙光、联想分别以 39 台超算系统入围并列第一，这也是 “中科系双雄”第 5 次并列榜首。曙光、联想、浪潮“国产三强”占据整个榜 单份额的 92%，国防科大、华为、国家并行计算机工程技术研究中心瓜分剩余份 额的8%。 5. 从应用领域来看，“互联网/云计算”和“大数据/机器学习”仍是当下超算的应 用热点，TOP100 的超算系统中共有 34 台系统用于互联网/云计算领域；用于科 学计算的系统今年延续了去年的势头，数量由去年占比 14% 上升为 15%。
【二】高性能计算之华山论剑
高性能计算系统发展现状和趋势小结
高性能计算系统发展迅速 高性能计算系统目前主要基于X86的体系架构 高性能计算系统目前主要基于Linux操作系统 高性能计算系统目前主要基于万兆/IB网络 高性能计算系统中英伟达协处理器加速器为代表发展很快 中国已经跻身TOP500 前列 百亿亿计算能力（E级）高性能计算系统是发展目标
《银河系漫游指南》一台能计算出 一场持续5个星期的沙尘暴中每一颗沙 尘运行轨迹的电脑——“Google星际思 想者”。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算之石油勘探领域研究：
“如果你控制了石油，你就控制了所有国家”——基辛格
中国作为目前世界上最大的石油进 口国，如何精准地找到石油一直是石油 人面前最迫切的问题。比方说以前的石 油勘探像看风水一样，打一口井的成本 差不多2亿元人民币，下面有没有油要打 完井以后才知道。但是今天通过超级计 算，相当于给地球做了一个CT，可以精 准的去找油。
【二】高性能计算之华山论剑
3、成本分析： 以下为单台96节点服务器机柜成本核算。其中服务器配置部分，只计算浸没式液 冷服务器方案高于风冷服务器方案的成本差值。 数据机房用电按0.8元/度，服务器全年按使用率60%计算成本如下：
【二】高性能计算之华山论剑
经计算，每年度数据中心用电量，浸没式液冷服务器比风冷服务器每年节省电费 44%。初期投资成本，浸没液冷服务器方案高于风冷服务器。但对比TCO，使用浸 没液冷服务器方案3年即可追平风冷服务器建设成本。如全年服务器使用率更高，浸 没液冷服务器方案可更短时间内追平风冷服务器成本。
（基准测试程序）指标，通过对高性能计算机采用高斯消元法求解一元N次 稠密线性代数方程组的测试。 HPCG（高性能共轭梯度）： HPCG所使用的计算模式与HPL相比,更符合当前 实际应用业务的特点，给出的测试结论对于HPC的发展更有参考价值。
【二】高性能计算之华山论剑
高性能计算系统权威评测机构-
高性能计算机最权威的评测为世界500强排名(TOP500 list)。 该项目始于1993 年，由美国的田纳西大学、德国的曼海姆大学以
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算应用之工程仿真：
隐式结构力学
• 扩展性一般， 部分求解器多 线程并行
• 访存密集，内 存容量性能需 求高
• 高磁盘IO需求
显示结构力学
• 扩展性较好 • 网络通信密集 • 较大磁盘容量
需求
CFD流体力学
• 扩展性较好 • 网络通信密集 • 磁盘IO要求不
高
电磁仿真
CPU必须 国产化
【三】高性能计算应用与展望
面对疫情，深圳超算中心优先调度数以千万计的机时，来服务于疫情相关的 研究工作。给疫情趋势预测、基因测序、药物筛选、病毒疫苗研制等方面研究提供 了强大的算力支撑。
【三】高性能计算应用与展望
高性能计算常见应用领域： 科学计算 能源领域 气象领域 工程仿真
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第二代计算机，1959-1964，大量 采用晶体管和印刷电路板，体积 不断减小，功能不断增强，并出 现大量应用软件；
➢ 第三代计算机，1964-1972，大量 使用集成电路，以IBM360系列为代 表；
【一】高性能计算概述
计算机发展时间线：
➢ 第四代计算机，1972-至今，基于大规模集成电路及超大规模集成电路。1976年， Cray-1，第一台商用高性能计算机问世，集成了20万个晶体管，每秒可进行1.5 亿次浮点运算。
浸没式液冷服务器的应用可明 显降低服务器主板内各电子元器件 的核心温度，能够使CPU，GPU等实 现超频运算，大约可超频5%~15%。 由此，科学中心用户可获得额外收 益。
【二】高性能计算之华山论剑 2019.11.8 首届中国“超级算力大会（ChinaSC）”在京举办
【二】高性能计算之华山论剑
【一】高性能计算概述
【一】高性能计算概述
高性能计算中最为重要的核心技术就 是并行计算（Parallel Computing），开 展并行计算是解决单处理器速度瓶颈的最 好办法之一，它的基本思想是用多个处理 器协同求解同一个问题，开展并行计算有 三个基本条件：具备并行计算机，应用问 题具有并行度，并行编程三个基本条件。