浅析高性能计算应用的需求与发展

浅析高性能计算应用的需求与发展

【摘要】本文阐述了高性能计算的概念，中国高性能计算的现状和发展趋势，随后，本文进一步分析了国内高性能计算应用的需求，针对目前高性能计算的应用，本文最后分析了高性能计算应用需求的展望。

【关键词】高性能计算；应用；需求；发展

一、前言

高性能计算的应用为国内的科技发展做出了诸多的贡献，因此，国内也在致力于拓展高性能计算的应用范围，从而希望进一步的促进高性能计算的发展，为我国的科学技术的不断发展提供技术支持。

二、高性能计算概述

高性能计算(HPC) 指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自InfiniBand 或Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。

三、中国高性能计算的现状与发展

20 世纪90 年代以来，随着”神威”、”银河”、”曙光”、”深腾”等一批知名产品的出现，我国成为继美国、日本之后的第三个具备高性能计算机系统研制能力的国家，被誉为世界未来高性能计算市场的”第三股力量”。我国在高性能计算机研制方面取得了较好的成绩，掌握了研制高性能计算机的一些关键技术，参与研制的单位也由科研院发展到企业界，有力地推动了高性能计算的发展。目前，我国的高性能计算环境已得到重大改善，总计算能力与发达国家的差距逐步缩小。我国的高性能计算技术拓宽了我国科学技术研究的深度和广度，提高了我国工业的生产效率，同时也节约了很多生产成本。我国的高性能计算技术目前主要在石油行业、天气预报、核能模拟、生物工程等领域得到了广泛的应用。

但是中国高性能计算的应用还不够广、不够深入，应用水平和应用效率都比较低下。我国对高性能计算应用的投入还远远不够，应用研发力量薄弱且分散，缺乏跨学科的综合型人才，从事高端应用软件研发的单位很少，企业界基本未介入，没有良好的相互交流的组织渠道等。高性能应用软件的开发和高效并行算法研究尚不能与高端计算机发展同步，在一定程度上存在为计算机”配”软件的思想。我国高性能计算应用的研究与发明明显滞后于高性能计算机的发展。国外品牌还占领着很多关乎国计民生的关键领域和行业，国产高性能服务器的市场份额仍然偏低。

四、高性能计算应用需求

为满足国民经济发展的需求,高性能计算的需求正在迅速增长。尤其是在基础科学领域,对计算的需求永无止境,而且性能越高的计算机越能产生高精度高时效的成果。目前,深腾6800一直处于满负荷运行状态,折射出下一步高性能计算环境建设的更大需求和更高目标。2004年开始,超级计算中心结合中科院“1+10”创新基地和重点学科的部署,重点对过程工程、空间科学、计算化学、药物设计、材料科学、地球科学、环境科学、生物信息、流体力学、高能物理等11个应用领域开展了多次“十一五”高性能计算应用需求调研,下面分别从研究方向需求、计算需求、应用软件需求和可视化需求方面对调研结果进行具体分析。

1研究方向需求

“十一五”期间各领域用户都对高性能计算提出了需求,例如化学工程中复杂系统的结构研究、空间环境灾害性天气变化规律的研究、有机发光材料的研究、禽流感、艾滋病等重要病毒及重要疾病的药物筛选、纳米电子器件的研究、地幔对流的数值模拟、大规模地震波的数值模拟、癌症样品相关基因的测序及突变分析等。这些项目的主要来源为国家自然科学基金、“八六三”计划、“九七三”计划及科学院项目。

2计算需求

计算需求调研包括用户对内存大小、存储大小和CPU机时的需求。为统一表述用户的计算需求,我们以深腾6800为参照对每个用户的计算需求换算为每年所需CPU机时数,并进一步转换为计算性能(Tflops)来表示。此外,还对用户单个大作业对高性能计算机计算能力的需求进行了调研。

根据目前的数据统计,所有应用领域计算机时需求每年约为3.3亿CPU小时,换算成计算性能约为198。6Tflops,用户单次计算对计算能力的最大需求为67。6Tflops。目前,用户的计算需求已远远超过现在超级计算中心能提供的计算能力,很多大型应用都要求超级计算中心提供服务。

3应用软件需求

科学计算方面的软件很多,超算中心在深腾6800上购置和配备了大量的应用软件。如Intel的C、Fortran编译器、Totalview,VTUNE调试工具、LAPACK,MKL 等各种数学函数库,还有化学计算软件Gaussian03、密度泛函计算软件ADF2004及非线性动力分析有限元程序ANSYS LS-DYNA等。“十一五”期间各领域用户除了对计算提出需求外,对计算过程中所需要的应用软件也提出了各自的需求,超级计算中心将根据用户的具体需求,挑选、购买并安装用户需求多的商用和开源应用软件。

五、高性能计算应用发展展望

高性能计算的最终目标是应用。为了更好地完成预定的大规模科学计算任务,不仅要有好的高性能计算机,还要有与之相匹配的高质量的高性能应用。但是,目前我国高性能计算机的实用效率还停留在较低的水平,应用水平低成为高性能计算的薄弱环节。我国的高性能计算事业要走可持续均衡发展的道路,如何使当前的建设成果充分发挥其效益并可持续发展,改善应用水平较低的现状,是我们必须思考的问题。我国对加强高性能计算环境和超级计算中心建设一直给予高度重视和大量投入,但是高性能计算环境建设不能盲目地以追求计算机峰值为目的,而是以应用需求为向导,以应用水平为依据,针对不同应用的计算特点,引进不同体系结构的计算机系统。

高性能计算机的问世给科学研究及工农业生产等带来了前所未有的发展,同时对用户使用计算机也提出了更高的要求。高性能计算机规模的不断扩大、多核处理器的出现都加大了用户使用计算机的难度。针对拥有多处理器(核)的高性能计算机系统,开展操作系统多核版本的研究、多级并行编程模型、软件工具和编译器的开发、现有MPI,OpenMP编程模型的优化,并行算法的改进等工作,对提高应用软件在多核(≥16核/节点)、流计算(IBM Cell,GPU)等下一代计算机系统上的运行效率至关重要。并行应用的可扩展性也是百万亿次、千万亿次大规模计算机系统面临的一个很大的挑战。

六、高性能计算的作用和地位

高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后,人类认识世界改造世界的第三大科学研究方法,是科技创新的重要手段。高性能计算相对于理论科学和实验科学,有其独特的优越性。首先,高性能计算既免除了真实实验的昂贵代价,而且不会对环境产生任何影响,即所谓无损伤研究。第二,高性能计算可以实现全过程全时空的研究,获取研究对象发展变化的全部信息。第三,高性能计算可以低成本地反复进行,获得各种条件下全面系统的数据。

事实证明,有了高性能计算不再需要进行核试验,有了高性能计算可以预测海啸和地震的危害,有了高性能计算可以通晓人类大脑的奥秘和生命的密码。在我国为满足国民经济发展的需要,高性能计算的需求正在迅速增长。无论是国家安全、石油气象等主要领域,还是以生物医药、微观结构研究为代表的新一代科技,都高度依赖高性能计算。

七、结束语

高性能计算的出现极大的提高了科技的创新能力，不论是在工业还是农业领域，高性能计算都可以发挥其科学计算的优势，很好的完成各项复杂的计算任务，从而为工农业的快速发展提供了技术保障。但是，对于高性能计算运用，我们还需要进一步的开拓。

参考文献