高性能計算(HPC)脫去貴族外衣

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談到高性能計算，最為典型的代表莫過于氣象、地質(zhì)勘探行業(yè)的應(yīng)用。氣象行業(yè)中高性能計算主要應(yīng)用在數(shù)值預(yù)報模式中的業(yè)務(wù)運算研究以及研制開發(fā)上。所謂數(shù)值預(yù)報即根據(jù)大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數(shù)值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)的方程組，預(yù)測未來一定時段的大氣運動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。　　

根據(jù)天氣動力學(xué)原理，用十幾個偏微方程組來描述大氣的物理運動狀態(tài)。用數(shù)值解將空間分成若干個等距節(jié)點，把大氣從水平到垂直切割成立體網(wǎng)格，通過對網(wǎng)格中每個立體方格的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向六要素的搜集，用偏微方程進(jìn)行解析解?！皵?shù)值預(yù)報的計算量很大，可以毫不夸張地說，無論性能再好，運算能力再強的計算機拿過來在氣象行業(yè)應(yīng)用，過不了多久就能讓它負(fù)荷滿滿?！?國家氣象局信息中心副總工沈文海這樣形容道。

數(shù)值預(yù)報模式一方面計算復(fù)雜性高，另一方面需要計算處理的原始數(shù)據(jù)量大。首先對于原始計算數(shù)據(jù)來說，風(fēng)云三號極軌衛(wèi)星一條掃描帶繞地球縱向轉(zhuǎn)一圈的數(shù)據(jù)量就有3G左右，極軌衛(wèi)星每天數(shù)據(jù)采集量達(dá)到100G之多。而風(fēng)云一號、二號靜止衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量每天約有10G。此外雷達(dá)預(yù)報中，每個雷達(dá)每天的數(shù)據(jù)量都在5G左右，一年的數(shù)據(jù)增量在100-200TB之間。如此大的數(shù)據(jù)量都需要借助高性能計算實時分析。

其次，氣象行業(yè)計算復(fù)雜性高、計算量大，多年來已成為高性能計算應(yīng)用的主要用戶。例如：對于氣候的評估，用若干個模式來評估青藏高原未來五十年至一百年以后的氣候狀況，以了解未來青藏高原的溫度是否升高，凍土層是否會融化?！斑@些都需要我們對以往所有該地區(qū)氣候資料的搜集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立模型，并最終作出評估，確實離不開對數(shù)據(jù)的計算。”沈文海解釋道。

同樣，甘肅省氣象局面對當(dāng)?shù)匾恍﹨^(qū)域樹木干枯、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的計算發(fā)現(xiàn)造成干旱的根本原因是雪山融水的減少。由于氣候變暖，山上積雪量減少，雪山上的融水減少，造成積水滲透到地下水中量減少，地下水會以某種形式轉(zhuǎn)變成泉水，再由泉水匯集成河流，由于最終水源積雪融水的減少，使得這些區(qū)域變得干旱。

“現(xiàn)在對于氣候模式數(shù)值預(yù)報正在發(fā)展中，不同模式每種模式都需要計算，即便同一模式下，由于觀測密度不同計算量也不一樣?！鄙蛭暮Ｖv道。例如：同一種模式下1度×1度是一種算法，0.5度×0.5度又是一種算法，而且每縮小一倍，計算量增加4倍。這僅僅是水平切割，再加上垂直劃分，計算量以數(shù)量級的規(guī)模增加。因為對于整個大氣網(wǎng)格劃分越密，監(jiān)測越細(xì)致，對于某一地區(qū)災(zāi)害性天氣的預(yù)測就越準(zhǔn)確。

此外，除了借助高性能計算對氣候做長期跟蹤以外，還對某地區(qū)短時間內(nèi)的天氣進(jìn)行預(yù)測。例如：冰雹這類災(zāi)害性天氣可以對積云密度的分析，該地區(qū)空氣對流的強度的計算進(jìn)行預(yù)測。

同樣在科研領(lǐng)域中，南京大學(xué)較早將高性能計算機應(yīng)用在大氣科學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)、以及物理、化學(xué)領(lǐng)域的研究。“從國內(nèi)外最近這十多年的發(fā)展來看，計算科學(xué)在科學(xué)研究當(dāng)中所起的作用越來越大，除了流體動力學(xué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，生命科學(xué)和材料科學(xué)是兩個發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。” 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院、江蘇省計算機學(xué)會高性能計算專業(yè)委員會主任委員周會群教授談到。

“高性能計算還在改變著一些傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的面貌。對于地球科學(xué)，過去人們的印像是，拿著榔頭到野外去敲敲石頭，拿顯微鏡看看。而現(xiàn)在我們可以用高性能計算機來分析地球內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)?！?就高性能計算對科學(xué)研究的影響，周會群教授這樣說到。

同樣在物理化學(xué)領(lǐng)域，對于一些功能性的材料添加某種物質(zhì)后，它的物理性質(zhì)：力、熱、聲、光、電、磁性質(zhì)是否發(fā)生奇異的改變，這些都可以借助通過計算得出。再比如說生命的奧秘——基因序列的測定，蛋白質(zhì)自組裝機制的探索，如何能夠最有效地、最節(jié)省成本地開發(fā)一種新藥？這些都離不開高性能計算機的應(yīng)用。

對于能源勘探行業(yè)，更是高性能計算應(yīng)用的傳統(tǒng)行業(yè)?！拔覀兺ㄟ^人工爆破，在地面部置檢波器，當(dāng)爆炸聲傳到地下后遇到不同物質(zhì)界面會反射回來，我們通過搜集反射波，并利用高性能計算機對其進(jìn)行分析，了解地質(zhì)構(gòu)造。” 中海油能源股份有限公司采油工程研究院朱曉欣談到。借助高性能計算及處理大量石油勘探數(shù)據(jù)，對盆地目標(biāo)造影，了解地下資源分布狀況。

不管是天氣預(yù)報還是能源勘探，對于任何數(shù)據(jù)的分析都離不開高性能計算，而現(xiàn)今高性能計算正在從這些傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域走向更廣的商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中。

解決 SOLUTION

目前國家氣象局是國內(nèi)比較大的計算中心之一，其中在04年引進(jìn)美國IBM Cluster1600集群式計算機，峰值處理能力達(dá)到21萬億次，持續(xù)處理能力在7萬億次，是目前國家氣象局最大的高性能計算機，擁有3000多個CPU，100多個點。

在數(shù)值預(yù)報中，高性能計算機最主要的工作就是資料同化。當(dāng)搜集所有資料后，把信息標(biāo)準(zhǔn)化，在計算上分為邊界場和初始場，相當(dāng)于把所有數(shù)據(jù)放在每個格子里進(jìn)行運算。

“數(shù)據(jù)來了以后，我們首先把信息按照某一模式放在格點上，并插到相應(yīng)的要素（氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向）上，經(jīng)過不同模式的計算產(chǎn)生不同的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品?！鄙蛑魅谓忉尩馈?/P>

“但是在國際上，數(shù)值預(yù)報模式全球共享，而數(shù)值同化模式卻是保密的，中國目前與國外氣象預(yù)報水平的差異也在這里。”沈主任補充道。

實際運算中，由于計算資源有限，一般是嵌套運算。首先計算出國家級全球背景場預(yù)報模式，平均每6小時計算一次，時間分布一般是24：00、06：00、12：00、18：00四個時段。高性能計算機一天24小時不停運轉(zhuǎn)，在每個時段執(zhí)行不同計算任務(wù)。

各省級氣象預(yù)報會在國家氣象局全球背景場模式預(yù)報基礎(chǔ)上，根據(jù)這些預(yù)報資料作為自己計算的初始場和邊界場，進(jìn)行區(qū)域天氣預(yù)報計算。同時國家氣象局對于各地區(qū)氣象預(yù)報擁有終審權(quán)利，每晚天氣預(yù)報都會先報到國家氣象局經(jīng)過審核后再發(fā)布。

對于特殊天氣的預(yù)報，臨近預(yù)報模式由各地氣象局自己負(fù)責(zé)。例如北京氣象局針對奧運期間每小時的精確預(yù)報，通過在具體區(qū)域?qū)臻g尺度更細(xì)的劃分進(jìn)行檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行計算了解該地區(qū)短時間內(nèi)天氣活動狀況。

面對不斷增長的高性能計算需求，南京大學(xué)計劃在09年7月份建成高性能計算中心。“該計算中心采用IBM刀片處理器，英特爾至強5500系列芯片，理論計算峰值達(dá)到35萬億次，實際計算能力估計約為27萬億次?！敝芙淌诮榻B到。該計算中心是全校共享，通過超高速網(wǎng)絡(luò)—InfiniBand，帶寬可以達(dá)到每秒20GB，來縮短交換信息的過程。

“因為我們做高性能計算的時候，都是把計算任務(wù)分布到很多臺計算機上，在很多的CPU上進(jìn)行計算，每一個CPU只是去負(fù)責(zé)這個問題其中一小部分，但是這一個小部分跟很多在其他計算機上、在其他的CPU上計算的那些部分相互之間有關(guān)聯(lián)，因此就需要交換信息的過程越短越好，加快計算速度。”周教授解釋道。

“石油勘探開發(fā)中主要是地震資料的處理，首先地震資料存儲在磁帶上通過磁帶機加載到工作站上，人員對磁帶機進(jìn)行初步的分析，對初期資料進(jìn)行歸納整理然后傳到服務(wù)器上，服務(wù)器進(jìn)行整體分析運算，最終的處理結(jié)果返回到單機上。”朱曉欣談到。目前中海油能源股份有限公司采油工程研究院高性能計算中心采用集群式計算機，其中最大的計算機共有96個CPU，并且整合在一個機柜，支持多線程計算及內(nèi)存共享，根據(jù)計算量大小自動調(diào)控CPU。

實際計算中，數(shù)據(jù)采集上來存儲在磁帶庫中，經(jīng)過前期處理后建模，經(jīng)過服務(wù)器具體運算，同樣數(shù)據(jù)經(jīng)過多次反復(fù)計算，最終形成地質(zhì)剖面圖。除了以上傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用高性能計算以外，在汽車安全模擬分析，對一些整車正面和側(cè)面及乘員安全性分析；疲勞耐久性分析，汽車外流場數(shù)值模擬；空調(diào)系統(tǒng)CFD分析與優(yōu)化等方面高性能計算也發(fā)揮著重要的作用。同時對于汽車鋼板的性能進(jìn)行模擬計算，鋼液流動模擬計算機并行程序開發(fā)，以及高爐結(jié)構(gòu)性能全三維分析等等。

此外大家熟知的3D動畫中也有高性能計算的身影。比如說渲染農(nóng)場的應(yīng)用，渲染農(nóng)場是一個計算機群，用于渲染這種CGI的圖像，主要用于電影或者電視廣告當(dāng)中一些現(xiàn)實場景無法拍攝，只能通過虛擬或者仿真的方式，達(dá)到一個影視的特效結(jié)果。

在這里是一個計算量隨著視頻的分辨率還有它的變化的趨勢圖。最低是標(biāo)準(zhǔn)清晰度的視頻，我們?nèi)粘？吹降碾娨暤臉?biāo)清的分辨率的圖片，一個15秒的廣告，一臺主流的兩路雙核的服務(wù)器，就需要31小時進(jìn)行渲染。若是高清視頻，或者電影要求的畫面質(zhì)量，在影院放映的高分辨率視頻的話，一部1.5小時的電影一臺服務(wù)器需要7500天才能渲染完畢。由此可見計算量是非常大的。

挑戰(zhàn) CHALLENGE

高性能計算在在隨著性能不斷提升的同時，其能耗問題日益受到關(guān)注。此前國家氣象局一臺IBM Cluster1600每天的電費就在8萬元人民幣左右，一年下來僅電費就要花費1000多萬元。

在保證性能的同時，南京大學(xué)新建的高性能計算中心充分考慮到能耗問題，從最初機房設(shè)計開始構(gòu)建一個綠色高性能計算中心?！皞鹘y(tǒng)的IDC的中服務(wù)器前面吸進(jìn)冷空氣后面排除熱氣，冷熱空氣沒有間隔，混合在一起通過通風(fēng)系統(tǒng)抽走。對于CPU利用率很低的一般企業(yè)數(shù)據(jù)中心來說，這樣的設(shè)計并無大礙，但是對于高性能計算中心來說，一旦計算任務(wù)上去，CPU均為滿負(fù)荷，發(fā)熱量劇增，能耗驚人?！敝芙淌趶娬{(diào)到。

南京大學(xué)從最初設(shè)計就分成冷熱走道，冷熱空氣不混合，通過機房物理設(shè)計減少溫控的能耗?！耙话阄覀兊臋C房空調(diào)溫度都在18度左右，我參觀過日本東京工業(yè)大學(xué)的高性能計算中心，那里空調(diào)溫度居然在27度。對于大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心來說，溫度降低一度都能節(jié)省大量能源?！敝芙淌谡劦?。

如果說南京大學(xué)面臨的是能耗問題，那么對于國家氣象局來說計算資源的緊缺是一個長期困擾的問題。“歐洲氣象中心天氣預(yù)報模式全球公認(rèn)最好，在那里業(yè)務(wù)運算中的70%計算資源用于同化資料處理，30%用于數(shù)值預(yù)報，而我們正好相反。他們平常的計算資源60%以上用于科研，只有40%用于具體業(yè)務(wù)運算，而我們對于僅有的計算資源首先保證業(yè)務(wù)運算其次才是科研運算?！鄙蛭暮Ｕ劦?。

由于計算資源的緊張，嚴(yán)重制約了中國氣象行業(yè)的發(fā)展。由于氣象行業(yè)體制的問題，對項目審批管理方式的問題，造成重視購買計算設(shè)備忽視購買計算資源。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為計算資源是一個無形產(chǎn)品，不認(rèn)同購買計算資源的形式。

同時由于高性能計算硬件發(fā)展速度較快，反而軟件的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件速度，又由于軟件設(shè)計本身的好壞直接影響硬件計算能力，使得石油勘探行業(yè)中過于依賴國外軟件，缺少自己軟件開發(fā)能力。造成硬件計算資源由于軟件的阻礙而不能發(fā)揮出應(yīng)有的計算能力，一定程度上造成計算資源的浪費。