高性能高性能计算

高性能计算技术杨广文清华大学计算机系010-62798985(O)ygw@tsinghua.
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cn内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议高性能计算介绍(1)高性能计算的定义高性能计算是指同时对多个任务或多条指令、或对多个数据项进行处理.
完成此项处理的计算机系统称为高性能计算机系统.
它是将多个处理器(可以几千个、几万个、几十万、几百万个等)通过网络连接以一定的方式有序地组织起来(一定的连接方式涉及网络的互联拓扑、通信协议等,而有序的组织则涉及操作系统、中间件软件等).
高性能计算的主要目的:一是为了提供比传统计算机快的计算速度;二是解决传统计算机无法解决的问题.
高性能计算介绍(2)几个类似的名字HighPerformanceComputingParallelComputingSupercomputingHighProductivityComputingSystems(highperformance,Programmability,Portability,Robustness)其它几个大家熟悉的名字GridComputingMetacomputingCloudComputingHighDistributedComputingPervisiveComputing高性能计算介绍(3)高兴计算的几个要素高性能计算机高性能计算机系统软件高性能计算支撑软件高性能计算应用ProblemsParallelalgorithmsProgrammingtoolsParallelProgrammingEnveromentOperationSystem(Middleware)内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议2012年6月Top500前10名机器RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1DOE/NNSA/LLNLUnitedStatesSequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2011IBM157286416324.
7520132.
667890.
02RIKENAdvancedInstituteforComputationalScience(AICS)JapanKcomputer,SPARC64VIIIfx2.
0GHz,Tofuinterconnect/2011Fujitsu70502410510.
0011280.
3812659.
93DOE/SC/ArgonneNationalLaboratoryUnitedStatesMira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2012IBM7864328162.
3810066.
333945.
04LeibnizRechenzentrumGermanySuperMUC-iDataPlexDX360M4,XeonE5-26808C2.
70GHz,InfinibandFDR/2012IBM1474562897.
003185.
053422.
75NationalSupercomputingCenterinTianjinChinaTianhe-1A-NUDTYHMPP,XeonX56706C2.
93GHz,NVIDIA2050/2010NUDT1863682566.
004701.
004040.
06DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryUnitedStatesJaguar-CrayXK6,Opteron627416C2.
200GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIA2090/2009CrayInc.
2985921941.
002627.
615142.
07CINECAItalyFermi-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2012IBM1638401725.
492097.
15821.
98ForschungszentrumJuelich(FZJ)GermanyJuQUEEN-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2012IBM1310721380.
391677.
72657.
59CEA/TGCC-GENCIFranceCuriethinnodes-BullxB510,XeonE5-26808C2.
700GHz,InfinibandQDR/2012Bull771841359.
001667.
172251.
010NationalSupercomputingCentreinShenzhen(NSCS)ChinaNebulae-DawningTC3600BladeSystem,XeonX56506C2.
66GHz,InfinibandQDR,NVIDIA2050/2010Dawning1206401271.
002984.
302580.
02012年11月Top500前10名机器RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryUnitedStatesTitan-CrayXK7,Opteron627416C2.
200GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIAK20xCrayInc.
56064017590.
027112.
582092DOE/NNSA/LLNLUnitedStatesSequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,CustomIBM157286416324.
820132.
778903RIKENAdvancedInstituteforComputationalScience(AICS)JapanKcomputer,SPARC64VIIIfx2.
0GHz,Tofuinterconnect/2011Fujitsu70502410510.
0011280.
3812659.
94DOE/SC/ArgonneNationalLaboratoryUnitedStatesMira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2012IBM7864328162.
3810066.
333945.
05ForschungszentrumJuelich(FZJ)GermanyJUQUEEN-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
600GHz,CustomInterconnectIBM3932164141.
25033.
219706LeibnizRechenzentrumGermanySuperMUC-iDataPlexDX360M4,XeonE5-26808C2.
70GHz,InfinibandFDR/2012IBM1474562897.
003185.
053422.
77TexasAdvancedComputingCenter/Univ.
ofTexasUnitedStatesStampede-PowerEdgeC8220,XeonE5-26808C2.
700GHz,InfinibandFDR,IntelXeonPhiDell2049002660.
33959.
08NationalSupercomputingCenterinTianjinChinaTianhe-1A-NUDTYHMPP,XeonX56706C2.
93GHz,NVIDIA2050/2010NUDT1863682566.
004701.
004040.
09CINECAItalyFermi-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.
60GHz,Custom/2012IBM1638401725.
492097.
15821.
910IBMDevelopmentEngineeringUnitedStatesDARPATrialSubset-Power775,POWER78C3.
836GHz,CustomInterconnectIBM633601515.
01944.
43576高性能计算在国家发展中的战略地位(1)研制高性能计算机的国家:美国(IBM,CRAY,HP,SUN,Dell等)中国(江南计算所,国防科技大学,曙光,浪潮,联想等)日本(Fujitsu等)法国(Bull等)高性能计算在国家发展中的战略地位(2)21世纪最普遍的多学科交叉工作模式,最伟大的科学突破将在其推动下产生美国在21世纪继续保持核心竞争力的必需科技手段列入我国中长期科技发展规划(中若干重大科技专项和重大前沿基础研究的核心支撑技术)863一直将高性能计算作为战略高计算予以支持高性能计算在国家发展中的战略地位(3)十五《高性能计算机及其核心软件》1亿,T级十一五《高效能计算机与网格服务环境》10亿,P级十二五《高性能计算机》20亿,100P级清华大学投资3000万元建成了168万亿次高性能计算机,目前处在国内高校第一.
内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议高性能计算的学科地位(1)计算科学与工程是继理论科学、实验科学之后的第三门科学,支持定量化与精确化描述这三门科学彼此相辅相承,推动科学发展与社会进步高性能计算又是计算科学与工程的核心交叉学科不断涌现(计算物理,计算化学,计算生物学,计算地质学,计算力学,计算材料学等)高性能计算是迅速成长的多学科交叉领域,包含运用高端先进计算机解决复杂实际问题的全过程.
高性能计算的学科地位(2)利用高端先进计算机再现、预测和发现客观世界运动规律和演化特性的全过程:无损伤:模拟真实实验无法进行的事情;(核爆、气候、海啸、地震等)全过程全时空诊断:充分了解和细致认识研究对象(飞行器、生物制药、工业优化设计、先进材料等);低成本短周期反复细致地进行.
2012/11/2116高性能计算的学科地位(3)问题提出领域研究者计算技术研发人员讨论计算特点、需求、运行方案等.
共同研发计算软件、工具,设计运行模式与方案.
9建模型9选择算法9规定所需条件(精度、收敛性等)9.
.
.
9设计算法9设计/移植计算软件9研究I/O方案9研究数据特点9进行系统调整9设计运行方案9数据处理9.
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计算技术科研成果应用领域科研成果计算工具、软件内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容高性能所的研究方向与内容介绍地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议高性能计算的研究内容(1)并行计算机的设计(DesignofParallelComputers)包括本并行计算机的结构设计、互联拓扑、网络通信等.
设计并行计算机重要的一点要考虑处理机数目的按比例增长(即可扩展性)及支持快速通信及处理机间的数据共享等.
有效算法的设计(DesignofEfficientAlgorithms)如果没有有效的并行算法,并行计算机无法使用,而并行算法的设计完全不同于串行算法的设计,不同的并行计算机的算法设计不同,只有将不同的并行计算机与不同的实际问题相结合,才能设计出有效的并行算法.
主要研究内容包括并行计算模型、并行算法的一般设计方法、基本设计技术和一般设计过程,并讨论一些数值并行算法与非数值并行算法的设计.
高性能计算的研究内容()评价并行算法的方法(MethodsforEvaluatingParallelAlgorithms)对于给定的并行计算机及运行在上面的并行算法,需要评价运行性能.
性能分析需解决的问题:如何利用基于并行计算机及其相适应的并行算法去快速地解决问题;如何有效地利用各个处理器.
研究内容包括结合机器与算法,提出相应的性能评测指标,为设计高效的并行算法提供依据.
高性能计算的研究内容(3)并行计算机语言(ParallelComputerLagrange)与传统的机器语言不同,并行计算机语言依赖于并行计算机,并行计算机语言必须简洁,编程容易,可以有效地实现,目前的语言有:OpenMPMPI、PVM、HPF等.
而且新的编程语言于编程模式正在不断地出现.
高性能计算的研究内容(4)并行编程环境与工具(ParallelProgrammingEnvironmentsandTools)为了使编程容易,必须开发综合的编程环境与工具,且能达到两个目的:并行计算机的底层结构对用户透明为用户提供设计与开发程序所需要的调试器与模拟器等工具高性能计算的研究内容(5)一些重大挑战性应用(1)1、磁记录技术研究静磁和交互感应以降低高密度磁盘的噪音2、新药设计通过抑制人的免疫故障病毒蛋白酶的作用来研制治疗癌症与艾滋病的药物3、高速民航用计算流体动力学来研制超音速喷气发动机4、催化作用仿生催化剂计算机建模,分析合成过成中的酶作用5、燃料燃烧通过化学动力学计算,揭示流体力学的作用,设计新型发动机6、海洋建模对海洋活动与大气流的热交换进行整体海洋模拟7、臭氧耗损研究控制臭氧损耗过程中的化学与动力学机制8、数字解析用计算机研究适时临床成像、计算层析术、磁共振成像一些重大挑战性应用(2)9、大气污染对大气质量模型进行模拟研究,控制污染的传播,揭示其物理与化学机理10、蛋白质结构设计对蛋白质组成的三维结构进行计算机模拟研究11、图像理解实时绘制图像或动态12、密码破译破译由长位数组成的密码,寻找该数的两个乘积因子一些重大挑战性应用(3)内容高性能计算介绍高性能计算在国家发展中的战略地位高性能计算的学科地位高性能计算的研究内容高性能所的研究方向与内容介绍地球系统数值模拟(一个应用实例)总结与建议地球系统所谓地球系统,是指由岩石圈、水圈、冰冻圈、生物圈、大气圈、近地空间和人类圈等地球各个子系统构成的统一整体系统.
地球系统模式所谓地球系统,是指由岩石圈、水圈、冰冻圈、生物圈、大气圈、近地空间和人类圈等地球的各个子系统构成的统一整体系统地球系统模式是研究全球变化的重要科学工具:基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学物理模型,通过数值模拟来确定地球系统各子系统的性状,加深对全球变化机理的认识,并预测全球和区域气候与生态环境的变化海洋生物动力冰雪海洋模式热力冰雪耦合器陆面模式水文过程陆面生物大气化学大气模式空间天气固体地球冰水交界面陆气交界面雪地交界面海气交界面高性能数值模拟是唯一途径28地球系统数值模拟定义定义利用高性能计算机对地球系统模式所对应的数学物理模型进行求解,目的是确定地球系统各子系统的性状,加深对全球变化机理的认识,并预测全球和区域气候与生态环境的变化特点模型确立、算法设计、软件实现、结果分析,复杂的多学科交叉研究(地球科学、数学、计算机…)(不同学科人员共同研究)地球系统数值模模拟的内涵利用计算机再现、预测全球变化规律(理解过去气候与环境演变机理、预估未来潜在全球变化情景)所需的技术.
分量模式物理与数学建模分量模式计算方法耦合器研制海量数据融合与管理支撑环境诊断分析……源代码可执行代码标准数据集比对结果可视化结果算法(并行)地球系统模式开发向导与编辑器编译器/调试器/优化器计算结果初始场与边界数据运行时环境可视化与数据比对分析工具数据管理子系统其它数据地球系统模式开发流程总结与建议高性能计算是战略高技术高性能计算是交叉学科的重要技术高性能计算应用极其广泛,水平有待提高高性能计算门槛较高,高性能计算应用成果显著了解高性能计算、使用高性能计算技术解决问题云计算基本态势:IT变革与演进期到2020年前后将会遇到靠渐进式改进难以继续发展的重大技术障碍摩尔定律、存储墙、后IP、软件复杂性墙、数据规模墙、功耗问题、数据不确定问题、可信问题等等2020到2040年期间必须在信息科学和信息器件、设备、软件上有原理性的重大突破但,互联网推动新型应用经济圈,信息产业发展理念的大碰撞,孕育着发展模式的巨变传统的"赢者通吃"受到极大挑战,WinTel垄断正在瓦解"开放共享"模式:逐渐占据上风,引领未来发展中国互联网机遇:阿里巴巴、腾讯、百度等公司崛起,成为我国乃至世界互联网产业的佼佼者大规模应用大规模互联网应用:突出几个"亿"的核心能力–(1)亿级用户同时在线–(2)亿级任务并发执行–(3)EB级(1018Bytes)海量数据的存储和访问–(4)亿维(高维)数据的智能计算每天处理30亿次请求6年间用户发展突破4亿日均播放视频10亿部同时在线用户达1亿云计算带来服务模式的变革云计算引领第3次IT变革浪潮云计算带来计算模式和IT服务模式的变革Internet大型机PC云计算Web1960198019902010LANInternetServerWebServerCloud弹性快速、按需使用云端IT资源按用户规模自动弹性伸缩、申请和释放IT服务专业化云管理与集成CRM第3方应用CloudOS网络计算存储中间件/数据库IT平台专业化设计和维护,应用者聚焦核心业务海量数据处理BI搜索翻译EB级海量数据存储,大规模并发处理云操作系统+云智库+云平台App1App2App3集中化大资源池OSOSOSApp1跨应用、跨用户资源及平台能力动态共享App1App1烟囱式资源池服务端客户端接入网络集中式主机-->服务器-->Web服务器集群-->分布式云服务器集群哑终端-->PC-->Web浏览器-->各类智能终端/瘦终端专用线路-->局域网-->互联网-->互联网+移动互联网云计算涉及面广;专项强调突破共性的核心关键技术,产出重大系统云计算解决的问题建立支撑海量数据分析处理的软硬件技术体系–突破共性核心技术–建立云技术体系,推动创新链和产业链形成–形成"四个亿"的技术能力产业应用和创新创业–寻找云计算领域的KillerApplication,支持新型产业搭建高水平的国际合作平台–从单项技术到系统(集成)技术的转变–从技术驱动到目标驱动的转变–从服务于产业形态到未来(以数据为中心的)现代服务业的转变谢谢!