超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和我國(guó)發(fā)展規(guī)劃課件

超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和我國(guó)發(fā)展規(guī)劃1匯報(bào)內(nèi)容

Outline超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和我國(guó)發(fā)展規(guī)劃國(guó)家超算天津中心及天河一號(hào)介紹未來(lái)國(guó)家超算天津中心重點(diǎn)研發(fā)方向與資源更新規(guī)劃

4/19/20232超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)發(fā)展規(guī)劃HPCdevelopmentstrategyandsituation第一部分4/19/20233日本地球模擬器2002年，40TflopsIBMBlueGene/L2005年，367Tflops2007年，596TflopsIBMBlueGene/L2005年，367Tflops2007年，596TflopsCray-YMP1988年，2.3GflopsCray-11976160MflopsIBM紅色選擇1999年，3萬(wàn)億次CrayT3E-12001998年1Tflops19831992CrayT3D1993,19Gflops走鵑，2008年，1千萬(wàn)億次天河二號(hào)2013年，5.5萬(wàn)萬(wàn)億次2013年天河二號(hào)5.49萬(wàn)萬(wàn)億次從1.6億次到5.49萬(wàn)萬(wàn)億次；38年性能提高了340000000倍39年前第一臺(tái)商用巨型機(jī)問(wèn)世1997超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃TH-1A，2010年，4.7PFlops4/19/20234超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃提高超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的三駕馬車(chē)主頻、指令級(jí)并行、并行度并行度足夠?qū)挘〝?shù)萬(wàn)結(jié)點(diǎn)）足夠深（核間、異構(gòu)、SIMD、指令級(jí)）4/19/20235超級(jí)計(jì)算機(jī)是國(guó)家綜合科技創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)支撐，全球各大國(guó)家均大力發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)中國(guó)近幾年在大力發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃4/19/20236天河超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展DevelopmenthistoryofTianhesupercomputer1978年，由小平批準(zhǔn)，國(guó)防科大開(kāi)始研制“銀河-1”從此，開(kāi)始了中國(guó)研制超級(jí)計(jì)算機(jī)的艱難和輝煌的歷程ApprovedbyXiao-pingDENG,theNUDTstartedtodevelopthe“MilkyWay-1”.Fromthenon,beganadifficultandglorioushistoryofChineseSupercomputerresearch.銀河-1100Mflops,1983銀河-21Gflops,1990銀河-310Gflops,1997天河一號(hào)4.7Pflops,2010天河二號(hào)55Pflops,20134/19/20237高性能計(jì)算機(jī)

SupercomputerR&D建立協(xié)同研發(fā)的機(jī)制，集中優(yōu)勢(shì)力量，突破核心關(guān)鍵技術(shù)研制Eflops超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)（1000Pflops)高性能計(jì)算應(yīng)用

HPCapplicationsSupport建立適應(yīng)不同行業(yè)的國(guó)家高性能計(jì)算應(yīng)用軟件中心部署行業(yè)能力型重大應(yīng)用軟件系統(tǒng)的研發(fā)，構(gòu)建能力型行業(yè)重大應(yīng)用數(shù)值模擬軟件平臺(tái)部署容量型普適推廣應(yīng)用課題，部署于國(guó)家超算中心等，培育、吸引和穩(wěn)定一批自主應(yīng)用軟件系統(tǒng)的用戶高性能計(jì)算環(huán)境

HPCenvironmentConstruction建立具有世界一流資源能力和服務(wù)水平的、支撐國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境科技部高性能計(jì)算計(jì)劃:2016-2020

MOSTprojectsonHPC:2016-20204/19/20238國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心與天河一號(hào)IntroductiontoNSCC-TJ&Tianhe-1A第二部分4/19/20239我國(guó)目前已投入運(yùn)營(yíng)的應(yīng)用范圍最廣、綜合支撐能力最強(qiáng)的國(guó)家級(jí)超算中心峰值4700萬(wàn)億次的天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)；400臺(tái)以上服務(wù)器的通用云計(jì)算系統(tǒng)；容量超過(guò)10PB的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)；多領(lǐng)域行業(yè)軟件；完善的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；完善的機(jī)房、供電、制冷等基礎(chǔ)設(shè)施。主要業(yè)務(wù)為高性能計(jì)算、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)服務(wù)，目前服務(wù)的政府、企業(yè)及科研院所用戶數(shù)已達(dá)600余家NSCC-TJ10國(guó)家發(fā)改委“大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室國(guó)家工信部工業(yè)云試點(diǎn)單位國(guó)家科技部示范型國(guó)際合作基地博士后科研工作站與多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)建立的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室NSCC-TJ11計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新廣泛的應(yīng)用成效天河一號(hào)12國(guó)際學(xué)術(shù)界的評(píng)價(jià)RemarkfrominternationalacademiaCPU+GPU異構(gòu)融合體系結(jié)構(gòu)CPU+GPUheterogeneousarchitecture64位多核多線程自主飛騰1000CPU64bitsMulti-coreandMulti-threadCPU自主高速互連通信技術(shù)Self-developedHigh-speedinterconnectcommunicationtechnology

“天河一號(hào)”的運(yùn)算速度比橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的要快大約40%，這是運(yùn)算速率的極大提升。中國(guó)同時(shí)研制了一種互聯(lián)技術(shù)，讓這些處理器相互聯(lián)系，這不是美國(guó)的技術(shù)，而是中國(guó)自己的技術(shù)。這是一個(gè)創(chuàng)舉。ThetechnologybelongstoChina,notU.S.,it’sapioneeringwork

--美國(guó)田納西大學(xué)教授杰克?唐加拉Prof.JackDongarra,TennesseeUniversity中國(guó)的“天河一號(hào)”采取的CPU與GPU融合的結(jié)構(gòu)，代表了未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)規(guī)模的不斷拓展，這種結(jié)構(gòu)雖然不是唯一的解決方法，但目前看來(lái)是最好的。Thearchitectureisnottheonlysolution,butthebestsofar

--美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任比爾?戴利BillyDaley,ComputerScienceCollege,StanfordUniversity三大技術(shù)創(chuàng)新Threetechnicalinnovations13石油勘探

OilExploration

生物醫(yī)藥

Biologicalmedicine航空航天

AeroandSpacecraftdesign可控核聚變Nuclearfusion氣象預(yù)報(bào)

Weatherforecast高性能計(jì)算的主要應(yīng)用領(lǐng)域ThemainapplicationareaofHPC動(dòng)漫設(shè)計(jì)

AnimationDesign高端裝備制造

Thehigh-endequipmentmanufacturing土木建筑設(shè)計(jì)分析

BIM金融工程

FinancialEngineering基礎(chǔ)科學(xué)研究等

ResearchonBasicsciences超級(jí)計(jì)算的重要作用：提升國(guó)家創(chuàng)新能力，加速戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展ImprovethenationalinnovationabilityandacceleratethedevelopmentofstrategicemergingindustriesinChina14業(yè)內(nèi)專(zhuān)家和用戶的評(píng)價(jià)綜合服務(wù)能力最強(qiáng)，系統(tǒng)最穩(wěn)定，服務(wù)質(zhì)量最好計(jì)算服務(wù)應(yīng)用計(jì)時(shí)：>140萬(wàn)機(jī)時(shí)/天每天運(yùn)行任務(wù)數(shù)：>1000存儲(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)模：>4.5PB服務(wù)至今已4年（2010.12—2015.3）2014年10月11日—31日的作業(yè)運(yùn)行狀況天津超算中心運(yùn)營(yíng)情況4/19/202315天津超算中心運(yùn)營(yíng)情況“天河一號(hào)”系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)，支撐國(guó)家重大科研項(xiàng)目超過(guò)800項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目超過(guò)600項(xiàng)863和973項(xiàng)目超過(guò)100項(xiàng)其他重大項(xiàng)目（工信部、發(fā)改委、中石油、中海油等）超過(guò)40項(xiàng)國(guó)際和地區(qū)項(xiàng)目超過(guò)10項(xiàng)服務(wù)全國(guó)大部分省份（包含香港地區(qū)），2014年服務(wù)用戶已經(jīng)超過(guò)600余家4/19/202316聚變領(lǐng)域研究合作合作單位：北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、nvidia托卡馬克“回旋環(huán)形等離子體代碼”GTC程序的GPU開(kāi)發(fā)與優(yōu)化模擬規(guī)模：~50,000

cores，每秒模擬的電子數(shù)達(dá)300多億4/19/202317聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作實(shí)際操作GTC程序移植到“天河一號(hào)”程序部署熱點(diǎn)分析Pushe:獲得網(wǎng)格點(diǎn)上的場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)作用力更新電子的位置Shifte:高度串行化計(jì)算MPI操作4/19/202318聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作程序的具體優(yōu)化策略存儲(chǔ)器訪問(wèn)優(yōu)化（針對(duì)pushe）針對(duì)三維訪問(wèn)數(shù)組進(jìn)行紋理綁定合并數(shù)組增加緩存命中率CPU-GPU數(shù)據(jù)傳遞優(yōu)化（針對(duì)pushe）臨時(shí)數(shù)組直接在GPU中分配使用GPU的寄存器來(lái)存放部分?jǐn)?shù)組不變數(shù)組只在第一調(diào)用kernel時(shí)傳遞到GPU算法優(yōu)化（針對(duì)shifte）分級(jí)并行緊致化：通過(guò)分級(jí)scan方法并發(fā)執(zhí)行串行代碼與kernel并發(fā)執(zhí)行在GPU內(nèi)部使用多流，使kernel間并發(fā)執(zhí)行Improveperformanceabout20%Improveperformanceabout20%;Cachehitratefrom8%to35%;Total3xkernelperformancespeedupSHIFTEgets~1.8xspeedupCPU-GPUtransfertimereducedto12%ofpushekerneltime.PUSHEgets~7xspeedup4/19/202319聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作512CPU%512GPU%speeduptotaltime157.79100%62.22100%2.5field0.640.41%0.701.13%iron16.3010.33%16.1725.99%shifte31.7020.09%17.4828.10%1.8pushe94.2559.73%12.6320.30%7.5possion4.903.11%4.937.92%electronother10.006.33%10.3116.56%以512個(gè)節(jié)點(diǎn)為例說(shuō)明GPU對(duì)electron模塊的加速ProfileoftheCPUandGPUversionfor512MPIprocesses/6openMPthreadsrun4/19/202320聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作WeakScalingTestGTC總體性能有2~3倍的加速，同時(shí)程序具有良好的可擴(kuò)展性。4/19/202321聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作合作單位：中科院等離子體所邊界湍流模擬程序BOUT++在天河上的擴(kuò)展性測(cè)試及分析：將BOUT++成功部署到天河系統(tǒng)，并進(jìn)行多組擴(kuò)展性測(cè)試。與美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心NERSC的Edison系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試比較4/19/202322聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作測(cè)試環(huán)境對(duì)比：計(jì)算結(jié)點(diǎn)：NERSC-Edison:2個(gè)12核IntelIvyBridge處理器，2.4GHz天河一號(hào)：2個(gè)6核IntelNehalem處理器，2.93GHz互聯(lián)：NERSC-Edison:CrayArieswithDragonflytopologywith23.7TB/sglobalbandwidth天河一號(hào)：自主高速互聯(lián)MPI實(shí)現(xiàn)：NERSC-Edison:基于GCC4.9.1(CrayInc.)、Cray-mpich/7.0.3天河一號(hào)：基于GCC4.4.7編譯器、openmpi編譯生成的mpi4/19/202323聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)及相關(guān)合作在Edison和天河一號(hào)上的測(cè)試對(duì)比Tianhe-openmpi下，CALC可以保持較好的scaling，solver的scaling最差。當(dāng)進(jìn)程數(shù)大于128時(shí)，在天河上使用openmpi編譯的bout表現(xiàn)出較差的scaling，原因?yàn)閟olver模塊中的PVODE求解器的耗時(shí)隨著進(jìn)程數(shù)的增加反而增加。目前正在針對(duì)solver模塊進(jìn)一步分析導(dǎo)致耗時(shí)異常的代碼段。4/19/202324未來(lái)國(guó)家超算天津中心重點(diǎn)研發(fā)方向與資源更新規(guī)劃第三部分4/19/2023252007年，圖靈獎(jiǎng)獲得者JimGray在美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和遠(yuǎn)程通訊委員會(huì)（NRC-CSTB）的演講報(bào)告中提出了科學(xué)研究“第四范式”第一范式：實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究范式描述自然現(xiàn)象，主要以觀察和實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的研究第二范式：理論科學(xué)研究范式主要以建模和歸納為基礎(chǔ)的理論推導(dǎo)與分析研究第三范式：計(jì)算科學(xué)研究范式主要以模擬仿真復(fù)雜現(xiàn)象為基礎(chǔ)的計(jì)算科學(xué)研究第四范式：數(shù)據(jù)科學(xué)研究范式以數(shù)據(jù)考察為基礎(chǔ)，聯(lián)合理論、實(shí)驗(yàn)和模擬一體

的數(shù)據(jù)密集計(jì)算處理研究高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算融合技術(shù)FusionTech.ofBigDataandHPC,CCatNSCC-TJ4/19/202326天津超算中心運(yùn)營(yíng)情況4/19/202327