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高性能并行计算平台及并行计算环境概述

高性能并行计算平台及并行计算环境概述. 中国水利水电科学研究院 信息网络中心 2005 年 8 月 11 日. 内 容 提 要. 1 、前言 2 、高性能并行计算平台建设 3 、水利水电高性能计算实践 4 、结语. 1 、前言. 什么是高性能并行计算？. 科学家和工程师可以用它来解决一些程序规模庞大、运算时间长以及数据量大的科研课题。 并行计算是提高服务器计算速度和处理能力的一种有效手段。 计算机按照编好的程序对计算问题进行分解，并把分解的任务块通过一定的方式交给不同的处理器去求解。. 国际发展动态.

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高性能并行计算平台及并行计算环境概述

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Presentation Transcript

  1. 高性能并行计算平台及并行计算环境概述 中国水利水电科学研究院 信息网络中心 2005年8月11日

  2. 内 容 提 要 1、前言 2、高性能并行计算平台建设 3、水利水电高性能计算实践 4、结语

  3. 1、前言

  4. 什么是高性能并行计算？ • 科学家和工程师可以用它来解决一些程序规模庞大、运算时间长以及数据量大的科研课题。 • 并行计算是提高服务器计算速度和处理能力的一种有效手段。 • 计算机按照编好的程序对计算问题进行分解，并把分解的任务块通过一定的方式交给不同的处理器去求解。

  5. 国际发展动态 • 2005年6月22日公布的全球高性能计算机top500，第一名是IBM的Blue Gene/L，Linpack测试值为每秒136.8万亿次，第二名是IBM的Blue Gene/W，Linpack测试值为每秒91万亿次。 • 日本第一的高性能计算机，Earth Simulator（地球模拟器），Linpack测试值为35.6万亿次。

  6. 国内发展动态 • 中国的第一名，中国气象局的高性能计算机，Linpack值为每秒10.3万亿次。 • 曙光系列、神威系列、银河系列、深腾系列 • 中科院计算所、曙光公司和上海超级计算中心三方共同研制的曙光4000A，Linpack测试值为每秒8.061万亿次。 • 联想公司为中科院网络信息中心生产的深腾6800，共有1060颗1.3Ghz的安腾2处理器，Linpack测试值为每秒4.183万亿次。

  7. 院内需求分析 随着工程规模的逐渐扩大、复杂问题求解分析的日益深入，其科学计算的“瓶颈”日趋严重，即使对模型和算法进行简化，一次计算仍需要几个小时、几天甚至数十天的时间，这一现状严重制约了我院水利水电学科的发展，许多工程师、教授提出的理论和设想都因为计算能力受到限制而无法实施。

  8. 课题1：小湾坝踵应力诱导缝研究 • 小湾拱坝坝底缝计算采用网格有20万个单元，总共24万多个节点。 • 单机上运行模拟计算程序时，一个计算步需要将近4~5个小时，一个工况一般有30~40个计算步，总共有几十种工况。

  9. 课题2：混凝土三维细观力学模型的研究 • 模型1：湿筛试件静动态弯拉强度细观力学分析 • 研究中对试件进行划分，用4面体单元将细网格6面体单元过渡到两边粗网格6面体单元，共有24257节点，29952个单元，其中骨料2160个单元，固化水泥砂浆体3805单元，粘结界面14515单元以及宏观均匀混凝土9472个单元。 • 以上三维计算是在内存1G，CPU为2.8G的PC机上进行的。静力计算耗时163小时39分，约7天时间；动力计算耗时196小时25分钟，约8天时间。

  10. 模型2：全级配试件静动态弯拉强度三维细观力学分析模型2：全级配试件静动态弯拉强度三维细观力学分析 • 剖分后的单元有骨料单元、融入小骨料后的固化水泥砂浆单元和两者之间的界面单元，共有24257个节点，113920个单元。 • 计算时间：在以上配置相同的PC机上，三维静力计算耗时209小时50分钟，约9天时间；动力计算耗时291小时57分钟，约12天时间。

  11. 问 题 • 要实现三维细观力学数值计算，计算速度这一难题必须克服，通常，针对一个模型研究人员需要反复调整参数进行数值计算，一个算例耗时数天甚至数周简直无法忍受。

  12. 上述种种计算和数据的处理对计算环境提出了新的要求，如果以传统的个人PC机作为计算平台，计算的时间和效率远远满足不了科研的需求，甚至会由于内存、CPU等硬件的限制而无法进行计算。因此我院急需建设一个高性能并行计算平台，更好的为科研项目服务。上述种种计算和数据的处理对计算环境提出了新的要求，如果以传统的个人PC机作为计算平台，计算的时间和效率远远满足不了科研的需求，甚至会由于内存、CPU等硬件的限制而无法进行计算。因此我院急需建设一个高性能并行计算平台，更好的为科研项目服务。

  13. 二、高性能并行计算平台建设

  14. 硬件平台建设 • 初步构想 • 采用Sun公司提供的Sun Fire Supercluster解决方案。 • 2~4台高性能的Sun Fire 6800服务器作为集群节点。 • 每台服务器达到满配置，即24个1.2Ghz UltraSPARCIII CPU，192GB内存。 • 节点之间采用Sun Fire Link Interconnect 技术通过光纤互联。

  15. IWHR 高性能并行计算平台硬件体系结构

  16. Sun Fire 6800 技术指标 • 硬件完全冗余，可以从任何硬件故障中恢复。 • 最多24个CPU，最大192GB内存，32PCI或者16cPCI插槽。 • 每台Sun Fire 6800机器最多分为4个域，每个域相当于一台独立的服务器。 • 具有很好的线性扩充能力，24个CPU运行时的Linpack值是1个CPU运行时的23.3倍。

  17. Sun Fire Link Interconnect • SunFire Link为一套高带宽、低延迟的互联系统，可以扩展Sun Fire6800 系统的可用性。 • 一个Sun Fire Link系统最多可以由8个Sun Fire 6800服务器节点组成，每个节点由Sun Fire Link光纤网络连接在一起， • 一整套软件支持。Sun Management Center可以为Sun Fire Link网络资源的配置、监视与管理提供最佳可用性。

  18. 我院Sun Fire 6800现有配置 • CPU 数量 • 4 * 1200Mhz • 内存容量 • 8 GB （16 X 512MB DIMMs) • I/O板 • 4个，PCI扩展槽共32个 • Sun Storage 3510 SCSI 磁盘阵列 • 可提供539GB 的存储空间

  19. 现 状 目前，本院的高性能并行计算平台建设处于初步试验阶段，待并行计算技术在我院应用成熟以后，可以很方便的对该平台进行硬件升级，以获得更高的性能和计算能力。

  20. 软件平台建设 • 操作系统 • 开发环境 • 编译器 • 数学函数库 • 高性能并行计算软件 • 作业管理接口 • 并行程序运行环境 • 并行数学函数库 • 并行程序调试分析工具 • 资源管理系统

  21. IWHR 高性能并行计算平台软件体系结构

  22. 操作系统：Solaris 9 • 64位的Unix操作系统 • 具有杰出的稳定性和可维护性 • 单一服务器上最多可支持106个CPU • 支持多线程，最多100万个进程。 • 支持多种应用软件，如 Sun Cluster软件、Sun 管理中心软件、Sun Studio 编译环境Sun Grid Engine等等。

  23. 开发环境：Sun Studio 9 • 主要组件包含如下： • C Compiler • C++ Compiler • Fortran Compiler • Sun Performance Library • Distributed make utility, dmake • dbx Command-Line Debugger • Performance Analysis Tools • Integrated Development Environment (IDE)

  24. 编译器 对于科研课题的计算程序而言，编译器的优劣对生成的程序的执行效率有着非常明显的影响，现在在Unix下的免费编译器软件主要是GNU计划提供的GCC，该编译器可以编译C、C++、F77 等语言编写的程序。Sun Fire 6800 服务器配套的编译器是Sun 公司开发的商业编译软件-Sun Studio 9，该编译器在Solaris上编译运行的效率比GNU的免费软件要高30%~40%。

  25. 数学函数库：Sun Performance Library • 它是Sun公司基于以下标准的线性代数库而生成的，具有相同的函数名和接口，但是在Sun的服务器上运行得更快更精确。 • LAPACK ：用来解决线性代数问题 • BLAS1：用来解决向量-向量运算问题 • BLAS2：用来解决矩阵-向量运算问题 • BLAS3：用来解决矩阵-矩阵运算问题 • FFTPACK和VFFTPACK：快速傅立叶转换

  26. 高性能并行计算软件Sun HPC ClusterTools 5.0 • 作业管理接口 • Sun ClusterTools Runtime Environment（CRE） • 并行计算运行环境 • Sun MPI and MPI I/O • 并行数学函数库 • Sun S3L( Scalable Scientific Subroutine Library) • 并行程序调试分析工具 • Sun Prism • Sun MPProf

  27. 作业管理接口：Sun CRE • 执行程序（mprun) • 杀死程序（mpkill) • 显示作业信息 • 显示节点信息

  28. 并行计算运行环境Sun MPI and MPI I/O • Sun MPI 是一个高度优化的MPI版本。它支持MPI1.2 标准和 MPI2.0 标准。 • 支持多线程编程。 • 与Sun CRE 集成。 • 完全支持Fortran77、C和C++ ，支持一些基本的Fortran90 语法。 • 通过共享内存通信会获得更好的性能。

  29. 并行数学函数库：Sun S3L • 它是建立在Sun MPI之上的，给用户提供了一系列广泛应用的并行函数库。如LU分解、最小二乘法运算、矩阵转置等等。 • 支持Fortran77、Fortran90、C和C++ • Sun S3L 子程序调用Sun Performance Library 来在节点上进行运算。

  30. 并行程序调试分析工具Prism和MPProf • Prism是一个图形编程环境，使用户能够对并行程序进行调试和性能监控。 • MPProf是一个用来查看Sun MPI程序的分析工具。运行它可以获得程序的一些时间信息： • 在所有进程里MPI函数库调用所花费的时间占程序运行时间的百分比； • 每个进程在MPI函数库调用上花费的时间百分比； • MPI 函数库调用的次数、程序花费的时间；

  31. 资源管理系统(Resource Management) • Sun HPC ClusterTools 5 software可以和下面三种分布式资源管理系统集成，用来管理资源的分配、并行作业的控制和监视，以及作业信息的统计。 • Sun Grid Engine：Codine 5.2 • Load Sharing Facility: LSF 4.x • Portable Batch System: PBS 2.3.15 and PBS Pro 5.0

  32. 集成方法

  33. IWHR 高性能并行计算平台软件体系结构

  34. 三、高性能并行计算实践

  35. 课题一 • 在结构材料所使用服务器计算的工程项目“小湾坝踵应力诱导峰分析”中，服务器发挥了内存、硬盘空间大，计算稳定的特点，为该工程项目的计算提供了有力的支持。

  36. 课题二 • 在抗震中心的有关“混凝土三维细观力学模型的研究”中，信息网络中心联系太极公司、国防科大等单位对原有串行程序进行并行化改造，在我院高性能服务器上试运行后，效果比较明显。经介绍，原来的串行程序运行需要7、8天左右时间经改造后只需3~4个小时。

  37. 四、结语

  38. 我院高性能并行技术的应用处于初步探索阶段，经过这半年多来的努力，现在已经取得了一定的成果。希望能够继续和院内各研究所合作，共同努力，把我院高性能计算这一块迅速发展起来，为我院的知识创新搭建一个高起点的平台，更好的为院内以及整个水利水电行业的科研项目服务。我院高性能并行技术的应用处于初步探索阶段，经过这半年多来的努力，现在已经取得了一定的成果。希望能够继续和院内各研究所合作，共同努力，把我院高性能计算这一块迅速发展起来，为我院的知识创新搭建一个高起点的平台，更好的为院内以及整个水利水电行业的科研项目服务。

  39. 敬请专家领导指正！ 谢谢！

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