IBMBLADE H构建高性能计算应用解决方案：
高性能计算需求
人类的文明进步已经让人类对计算的需求越来越深入，很多科学领域的研究已经越来越微观化，比如生物学、流体力学、空气动力学，并且在数据展现时也越来越强调可视化处理，比如断层分析、气象绘图、石油勘探中的地震数据解释、商业数据模型分析等，而且人们对于计算的速度也要求越来越高——能实时的模拟现实中的演变是人们不变的最高追求，这就需要有一个强有力的计算工具介入，以加速运算能力的提高。
高性能计算定义
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。本文是基IBM BladeCenter GPU的HPC系统解决方案。
IBM BladeCenter GPU 扩展刀片
IBM BladeCenter GPU 扩展刀片。(BGE) 可帮助您满足并行计算需求，同时还能够保持 BladeCenter 基础架构的可靠性、灵活性和成本优势。BGE 根据NVIDIA 图形处理单元 (GPU) 构建，可将目标应用程序的性能最多提高 150 倍。由于 BGE 连接到 BladeCenter 机箱中的 BladeCenter 计算刀片，它可利用BladeCenter 系统的基本 I/O 和电力资源。您可以在一个 BladeCenter HS22 刀片中叠放多达 4 个 BGE，为双精度应用程序提供超过 2000 GF 的处理能力。
由于具备高可靠性、高性能、绿色节能和灵活易用等优势，刀片服务器成为云计算和高性能计算的理想平台。IBM一直关注刀片技术的研发和基于IBM BladeCenter平台解决方案的开发，并致力于与业内领先厂商共建成熟良性的刀片生态社区。凭借丰富的刀片产品线和虚拟化等先进技术方案，IBM成为支持中国企业实现云计算和高性能计算的最佳伙伴
应用场景示例:
1、大电网并行与分布式计算和数据处理基础平台系统是高性能计算在电网技术
应用的一个方向。大电网并行与分布式计算和数据处理基础平台系统是电力系统分析与规划，大电网运行与控制的基础数据和计算支撑系统。该应用方向上，研究与开发先进的大规模并行与分布式计算平台为电力分析、在线应用和大电网运行安全与监控等提供计算支撑作用。
2、大学中的科学计算
3、高性能服务器和可视化技术的发展为油气勘探开发提供了一种全新的工作模式，它可以使地球物理家、地质家和油藏工程师根据复杂的数学模型、大量的数据资料，形成对复杂地质构造的快速计算和图形展示，建立数字化油田。
“随着地球物理技术、地质理论和油藏工程技术的进步，地学综合研究对信息技术提出了更高的要求，多路/核CPU服务器、高速（10G）网络、大容量存储设备、三维可视化技术等，以及地学综合研究平台。”
4、游戏、动画及电影后期制作。
5、气象预报
解决方案概述
高性能计算的主要行业和应用在学校、研究所等科学研究机构。石油部门、医学生物、计算化学和汽车与航空航天设计、建筑结构设计、三维图形运算等。
高性能计算多年来一直是科技综合实力竞争的制高点，也在一定程度上反映了各大公司在系统研发方面的实力。作为行业的技术领先者，IBM 公司在这一领域占主导地位。
在高性能刀片集群的的市场中，IBM 也一直处于领先地位。
JS21 的强大的向量运算功能，在某些领域中具有突出的性能优势，如生命科学、计算化学，同时也适用于地震资料处理、信号与数字影像处理，自主开发的应用等方面。
高性能计算（以下简称 HPC）类型一般分为 SMP 和集群式两种，集群式的解决方案主要面向一些计算密集型的应用。
HPC集群方案框图
刀片式 HPC 集群通常由以下几个部分组成：
管理节点，管理节点是集群的控制中心，作用包括整个集群的软硬件管理、计算节点的快速远程部署、提供用户登陆接口、任务调度与提交。管理节点可以考虑采用 p505、p510 或者 p520 服务器。
计算节点，集群中用来计算的资源。在我们的方案中，每片 JS21 就是一个计算节点。
存储节点，集群中可以采用专门的服务器连接存储。然后通过各种网络文件系统协议（如 GPFS、NFS），给计算节点提供网络文件系统服务。存储节点可以根据集群的大小部署多个，实现负载均衡或冗余。
管理网络，管理节点与计算节点中专门用于软硬件管理通讯的网络。通常为以太网络。
计算网络，集群中专为计算节点间通信的网络，根据不同计算类型对网络延迟带宽的要求不同，有高速以太网， Infiniband 网络，Myrinet 网络等各种高速交换网络可供选择。
概括来说，HS22 刀片优势在于其出色的浮点运算能力、优秀的硬件品质、以及丰富的软硬件支持。
出色的性能
通用GPU的不仅仅是高性能图形引擎。事实上，他们不连接到电脑显示器，他们没有视频输出功能，相反，他们的表现一般图形化的目的，科学和工程计算，并允许计算密集型卸载各个行业的任务，包括生命科学，流体动力学，金融，数据分析，大气建模，以及大型图形渲染。这些类型的应用可以并行操作。GPU是专为大规模并行。而传统的CPU可能有四个处理核心，NVIDIA的GPU拥有超过100倍（448芯）多核心提供了515亿次的峰值双精度容量（每十亿浮点运算秒），而不是约50亿次。CPU和GPU的共同努力，这一计算模型。主要应用程序的一部分运行的顺序在CPU上，而计算密集型一部分运行在GPU上。
IBM BladeCenter GPU 扩展刀片(连接到 HS22 刀片)
特点
扩建刀片具有以下特点：
支持高性能的NVIDIA适配器每个扩展刀片
扩建或刀片配备了NVIDIA TeslaM2070或NVIDIA TeslaM2070Q适配器卡。
一个单独的基座上能够堆叠多达四个扩展刀片刀，从而保持了BladeCenter密度优势。
CFFh插槽仍然可用刀片服务器时。
操作系统支持
下列作业系统已经过测试，兼容的IBM BladeCenter的GPU扩展刀片。Windows Server 2008的高性能计算版（64位）
Windows HPC Server2008（64位）
Windows 2008的3550（64位）
红帽企业Linux5（64位）
SUSE Linux企业服务器版为x86_6411（64位）
更快更稳定
构建高性能计算系统是对于操作系统、编译器、互联设备驱动、作业管理调
度以及文件系统管理等等涉及各个系统层面的软硬件的整合。对商业运行的集群系统其可靠性和可用性更被放在第一重要的位置。
丰富高效的交换网络
在高性能系统的搭建过程中，选择一个正确高效的数据交换网络是能否达到甚至超过您对集群性能预期的关键。IBM BladeCenter HS22 所支持的外部连接极为丰富，除了常见的千兆以太网和 SAN 存储交换网络以外，HS22 还支持适用于高性能的计算的 10Gb 以太网，Infiniband 网络，以及 Myrinet 网络。HS22 建议配置
针对一个 5000亿次的高性能解决方案，提供的建议 BladeCenter HS22 刀
该方案是较常见的 HPC 配置。其中一共配置了 1个 IBM BladeCenter H 刀片中心，14个 IBM HS22 服务器。
配置 1台 IBM System p520 服务器，同时作为管理节点和 I/O节点；1台套 IBM DS4000 系列存储作为 HPC 的 SAN 存储，解决整个高性能计算的大容量存储需求。是否配置存储及 IO节点取决于客户对存储容量的需求，不是必要配
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。
XXXX 高性能计算平台建设方案 XXXXX 2013年4月
目录 1 概述 (2) 1.1 背景概况 (2) 1.2 建设内容 (3) 1.3 设计原则 (3) 2 总体架构 (5) 3 高性能计算平台硬件系统 (6) 3.1 平台架构图 (6) 3.2 主要设备选型 (8) 3.3 Cluster集群系统 (9) 3.4 计算节点 (10) 3.5 管理节点 (10) 3.6 I/O存储节点 (11) 3.7 网络系统方案............................................................................... 错误！未定义书签。 3.8 管理网络 (12) 3.9 监控网络 (12) 3.10 存储系统 (12) 4 高性能计算平台软件系统 (13) 4.1 64位Linux操作系统 (13) 4.2 集群管理软件 (14) 4.3 作业调度系统 (14) 4.4 并行文件系统 (15) 4.5 集群并行计算环境 (15) 4.6 标准库函数 (16) 4.7 标准应用软件 (16) 5 项目经费预算 (17) 5.1 经费来源 (17) 5.2 经费支出预算 (17) 附页——高性能计算平台技术参数要求 (18)
1概述 1.1背景概况 20世纪后半期，全世界范围掀起第三次产业革命的浪潮，人类开始迈入后工业社会——信息社会。在信息经济时代，其先进生产力及科技发展的标志就是计算技术。在这种先进生产力中高性能计算机（超级计算机）更是具有代表性。 时至今日，计算科学（尤其是高性能计算）已经与理论研究、实验科学相并列，成为现代科学的三大支柱之一。 三种科研手段中，理论研究为人类认识自然界、发展科技提供指导，但科学理论一般并不直接转化为实用的技术；实验科学一方面是验证理论、发展理论的重要工具，另一方面，它是在理论的指导下发展实用技术，直接为经济发展服务；计算科学的发展也有相当悠久的历史，只是在计算机这一强大的计算工具问世之前，计算只能利用人类的大脑和简单的工具，计算应用于科学研究有天然的局限性，限制了它作用的发挥；随着计算机技术的发展，使用科学计算这一先进的技术手段不断普及，逐渐走向成熟。科学计算可以在很大程度上代替实验科学，并能在很多情况下，完成实验科学所无法完成的研究工作。科学计算也直接服务于实用科技，并为理论的发展提供依据和机会。在许多情况下，或者理论模型过于复杂甚至尚未建立，或者实验费用过于昂贵甚至不允许进行，此时计算模拟就成为求解问题的唯一或主要手段了。 目前，高性能计算已广泛应用于国民经济各领域，发挥着不可替代的重要作用： a) 基础学科中深入的知识发现，问题规模的扩大和求解精度的增加需要更高性能的计算资源。例如，计算立体力学、计算材料学、计算电磁学。 b) 多学科综合设计领域中大量多部门协同计算需要构建高性能的综合平台。例如，汽车设计、船舶设计。 c) 基于仿真的工程科学结合传统工程领域的知识技术与高性能计算，提供经济高效地设计与实践方法。例如，基于仿真的医学实践、数字城市模拟、核电、油田仿真工具、新材料开发、碰撞仿真技术、数字风洞。
摘要：本文主要就近年来问世的新一代高性能I/O技术做一全方位介绍，着重从其基本特性和体系结构的角度分析各种I/O技术的特点，以帮助有关技术人员进一步把握新一代高性能I/O的技术现状及发展趋势。 关键词：高性能I/O技术、PCI Express、InfiniBand、Fibre Channel、HyperTransport、RapidIO、SPI、SAS、iSCSI、SA TA 一、引言 计算机I/O技术在高性能计算技术的发展中始终是一个十分重要的关键技术。其技术特性决定了计算机I/O的处理能力，进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。从根本上讲， 无论现在还是将来，I/O技术都将制约着计算机技术的应用与发展，尤其在高端计算领域。近年来随着高端计算市场的日益活跃，看似平静的高性能I/O技术之争也愈演愈烈。尤其是当计算机主机速率与总线速率的矛盾日益突出时，新的总线技术便应运而生，演绎出一段段精彩的技术篇章，计算机I/O技术的发展开始让我们眼花缭乱。如PCI Express、InfiniBand、HyperTransport、RapidIO等高性能I/O技术的发展令人注目。而广泛应用于网络存储、高性能集群及并行计算系统的I/O技术，如Fibre Channel、SCSI Parallel Interface（SPI）、Serial Attached SCSI（SAS）、iSCSI等，更使计算机总线技术远远超出“连接功能部件”的范畴。本文试图从基本概念、体系结构、功能指标等角度全面分析新近问世的各种高性能I/O 技术，以全方位展示其技术特点，帮助有关技术人员把握高性能I/O的技术现状和发展趋势。 二、新一代高性能I/O技术综述 近年来推出的新一代高性能I/O主要有：PCI Express（3GIO）、InfiniBand Architecture （IBA）、Fibre Channel（FC）、HyperTransport、RapidIO、SPI（SCSI Parallel Interface）、SAS （Serial Attached SCSI）、iSCSI、SA TA（Serial A TA）等。 （1）PCI Express PCI Express（3GIO）是一种新型串行Point-to-Point I/O总线体系。其基本目标有两个：一是提供chip-to-chip级互联的局部总线，二是以较低的开销升级现有的PCI架构性能。这一串行总线的根本动机就是通过少许引脚来实现高带宽数据传输，而不是像并行PCI或PCI-X 那样。据PCI-SIG（Special Interest Group）最新公布的数据，PCI Express目前可以达到的单路单向速率是2.5Gb/s。也就是说可提供高达200MB/s的带宽，近乎是典型PCI2.2速率的2倍。今后随着硅片技术的不断发展，单路单向的数据传输速率可望突破10Gb/s，几乎达到铜介质数据传输率的极限值。此外，PCI Express通过增加信号线对还可组成X1、X2、X4、X8、X16、X32等多路I/O总线，这样一来其所能达到的峰值带宽简直是无法想像的。在提供了更高带宽的同时，PCI Express还提供了对PCI和PCI-X软件的兼容支持，和对chip-to-chip级、I/O适配器之间以及对IEEE 1394、USB 2.0等附属接口的支持。 PCI Express的体系结构：PCI Express采用的分层体系结构使其可扩展性、模块化以及重用机制成为可能。它从体系结构上可以分为五层，从上至下分别为物理层、数据链路层、事物处理层、软件层以及Config/OS层。上面三层结构基本上与具体的操作系统无关，并且将
高性能计算的现状与发展 高性能计算中心需求特点与发展趋势
目录 1.1 高性能计算的现状与发展 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 高性能计算中心需求特点与发展趋势 (13) 1.2.1 需求特点 (13) 1.2.2 技术发展趋势 (14) 2
1.1高性能计算的现状与发展 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国 3
制造行业中的高性能计算主要应用及其特点 制造行业的高性能计算用户主要分成两类：1) 实际制造企业，如汽车设计制造厂商、航空工业企业、电力企业及消费产品生产商等。这一类用户通过高性能计算技术来提高产品的性能，减低成本，同时缩短产品的设计、生产周期，以使企业在市场上更具竞争力；2）研发单位，如政府、国防和大学中涉及制造行业的部门或专业。这一类用户的目标是利用高性能计算技术改善设计方法，提高设计水平从而为实际生产服务。 下图给出了制造行业中采用计算机进行产品开发的流程，包括建模、前处理（模型修改和网格生成）、计算分析、交叉学科综合及后处理几个部分。其中高性能计算主要应用于计算分析部分，统称为计算机辅助制造工程（MCAE ）。 MCAE 可以分为隐式有限元分析（IFEA ）、显式有限元分析（EFEA ）和计算流体动力学（CFD ）三个子学科，如下图所示。几乎所有的制造企业的高性能计算都依赖于独立软件开发商（ISV ）提供的商业软件，只有计算流体动力学中结构网格计算类型的软件是以用户自己开发为主。因此制造行业中的高性能计算具有与教育科研领域不同的特点，用户在购买硬件平台的同时通常会购买相应的科学计算软件产品，而且在某种程度上往往是应用软件的特性决定了硬件平台的选择。 建模
下表中给出了MCAE常用的应用软件，并列出这些软件的特点、可扩展性及其对系统要求。从表中可以看到，隐式有限元分析（IFEA）软件的可扩展性不好，通常不会高于10个处理器。这是由隐式算法本身决定的，因为采用隐式算法的程序并行通常是细粒度的并行，并行开销要远大于可以采用粗粒度并行的显式算法。针对其可扩展性有限的特点，为这类用户推荐系统时可以考虑p650，p655，及p670这样中档服务器。另外显式有限元分析（EFEA）软件和结构网格计算流体动力学（CFD Structured）软件对CPU的性能要求很高，对I/O的要求较低，同时对带宽和延迟的要求也不高，可以看出这种类型的应用可以较好地运行在MPP结构类型的系统上，尤其是用类似p655或p690这样多CPU服务器作为节点的Cluster1600系统。
高性能计算在生命科学中的应用
目录 1.1 高性能计算的发展现状 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 高性能计算在生命科学中的应用 (13) 1.2.1 基因测序数据处理 (13) 1.2.2 蛋白质结构研究 (34) 1.2.3 计算机辅助药物设计 (50)
1.1高性能计算的发展现状 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国家经济、社会和环境可持续性发展的重要途径，基础科学研究的投入也将持续增长。
“高性能计算”重点专项2016年度 项目申报指南 依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，科技部会同有关部门组织开展了《高性能计算重点专项实施方案》编制工作，在此基础上启动“高性能计算”重点专项2016年度项目，并发布本指南。 本专项总体目标是：在E级计算机的体系结构，新型处理器结构、高速互连网络、整机基础架构、软件环境、面向应用的协同设计、大规模系统管控与容错等核心技术方面取得突破，依托自主可控技术，研制适应应用需求的E级（百亿亿次左右）高性能计算机系统，使我国高性能计算机的性能在“十三五”末期保持世界领先水平。研发一批重大关键领域/行业的高性能计算应用软件，建立适应不同行业的2—3个高性能计算应用软件中心，构建可持续发展的高性能计算应用生态环境。配合E级计算机和应用软件研发，探索新型高性能计算服务的可持续发展机制，创新组织管理与运营模式，建立具有世界一流资源能力和服务水平的国家高性能计算环境，在我国科学研究和经济与社会发展中发挥重要作用，并通过国家高性能计算环境所取得的经验，促进我国计算服务业的产生和成长。 本专项围绕E级高性能计算机系统研制、高性能计算应用软 —1—
件研发、高性能计算环境研发等三个创新链（技术方向）部署20个重点研究任务，专项实施周期为5年，即2016年—2020年。 按照分步实施、重点突出原则，2016年启动项目的主要研究内容包括：E级计算机总体技术及评测技术与系统，高性能应用软件研发与推广应用机制，重大行业高性能数值装臵和应用软件，E级高性能应用软件编程框架及应用示范，国家高性能计算环境服务化机制与支撑体系，基于国家高性能计算环境的服务系统等重大共性关键技术与应用示范研究，以及新型高性能互连网络、适应于百亿亿次级计算的可计算物理建模与新型计算方法等基础前沿研究。2016年在三个技术方向启动10个任务。 针对任务中的研究内容，以项目为单位进行申报。项目设1名项目负责人，项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题设1名课题负责人，每个课题承担单位原则上不超过5个。 1.E级高性能计算机系统研制 1.1 总体技术及评测技术与系统研究（重大共性关键技术类） 研究内容：研究提出我国高性能计算机系统发展技术路线图和总体技术方案。研究我国高性能计算技术标准体系和核心标准，推动高性能计算机、高性能计算应用和高性能计算环境的协调均衡发展。研究E级高性能计算机评测方法与技术，发展体现应用特点的基准测试程序集，对E级高性能计算机系统进行全面评测，以评测促进研究工作。 —2—
计算机技术的发展趋势 及实际应用 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
计算机技术的发展趋势及实际应用 导言：二十世纪80年代后，计算机技术的发展日新月异，传统计算机技术将持续发展，新的计算机技术、新领域的计算机技术应用，使计算机技术成为当今与人类息息相关的一门重要科学技术。本文对计算机技术发展和应用的相关方面进行了介绍，包括计算机技术的发展和现状、新型计算机系统和计算机技术、计算机智能化发展等，以及计算机技术的实际应用，如在科学技术前沿阵地的电厂中的应用以及电厂的计算机自动化控制发展趋势。 2016年3月，互联网上，各大门户网站的首页，都大篇幅报道“阿尔法人机大战”，最终人工智能以4：1战胜围棋大师李世石，这是google以研发的人工智能挑战人类智能的方式，宣告其计算机技术人工智能化的重大突破和应用。这篇报道，说明计算机技术的发展，已经走进人工智能发展的时代。 从世界上第一台电子计算机ENIAC问世至今已经将近70年，它的问世对人们的生活有着革命性的影响。20世纪后期，计算机技术开始逐步应用到社会的各个角落，计算机的性能也获得了提升。不管是家庭、还是企业、机关，计算机都广泛地发挥着作用，成为人们工作生活中不可获取的一部分。现今的计算机在运算性能、应用领域和生产成本等各方面取得了空前的发展，其未来的发展趋势在很大程度上决定了很多行业的发展速度，也将会是影响整个社会进步的一个重要因素。 计算机的发展趋势将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。 1.未来计算机技术的发展趋势 1.1多极化趋势 如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。 1.2 网络化趋势 网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。
高性能计算平台建设方案1.验证理论、发展理论的重要工具，另一方面，它是在理论的指导下发展实 用技术，直接为经济发展服务；计算科学的发展也有相当悠久的历史，只是在计算机这一强大的计算工具问世之前，计算只能利用人类的大脑和简单的工具，计算应用于科学研究有天然的局限性，限制了它作用的发挥；随着计算机技术的发展，使用科学计算这一先进的技术手段不断普及，逐渐走向成熟。科学计算可以在很大程度上代替实验科学，并能在很多情况下，完成实验科学所无法完成的研究工作。科学计算也直接服务于实用科技，并为理论的发展提供依据和机会。在许多情况下，或者理论模型过于复杂甚至尚未建立，或者实验费用过于昂贵甚至不允许进行，此时计算模拟就成为求解问题的唯一或主要手段了。 目前，高性能计算已广泛应用于国民经济各领域，发挥着不可替代的重要作用： a) 基础学科中深入的知识发现，问题规模的扩大和求解精度的增加需要更高性能的计算资源。例如，计算立体力学、计算材料学、计算电磁学。 b) 多学科综合设计领域中大量多部门协同计算需要构建高性能的综合平台。例如，汽车设计、船舶设计。
c) 基于仿真的工程科学结合传统工程领域的知识技术与高性能计算，提供经济高效地设计与实践方法。例如，基于仿真的医学实践、数字城市模拟、核电、油田仿真工具、新材料开发、碰撞仿真技术、数字风洞。 d) 高性能计算提升众多行业服务、决策的时效性，提高经济效益。例如，实时天气预报、城市交通控制、视频点播服务、动漫设计、网络游戏、基于RFID 的货物跟踪、智能电子商务。 e) 数据密集型应用需要高性能数据处理，以应对数据爆炸式增长带来的难题。例如，高能物理实验数据处理、遥感数据处理、商业智能、生物信息学、RFID 数据挖掘、金融业分析抵押借贷、移动电话流量分析。 1.1建设内容 高性能计算平台是面向全校提供高速计算服务的公共计算平台，主要运行科研计算任务，并且能够根据应用任务对硬件资源的不同需求，动态分配和调整平台资源，管理计算作业。用户通过校园网或VPN远程提交计算作业、获取计算结果，并能够根据权限调整，实现权限控制，硬件细节对用户透明。用户界面实现图形化交互窗口和SSH登陆相结合方式。 平台的主要硬件设备有：管理节点、计算节点、存储IO节点、Infiniband交换机、高速存储、千兆以太网交换机；软件方面有：64位Linux操作系统、并行开发环境、并行文件系统、作业调度管理系统、硬件集群管理系统等，利用高速infiniband网络互联构成计算环境，通过并行计算支撑软件和作业调度系统使它们协同工作。 平台支持同时运行Ansys、Fluent、Gauss、Materials Studi、ADMS、Opera、HFSS、MTSS、MAGIC、CST、Icepak等商业软件，并支持C（C++）、Fortran77/90等语言的编译和运行环境，以保证学院自编应用程序的计算求解需求。
计算机技术的发展趋势及实际应用 导言：二十世纪80年代后，计算机技术的发展日新月异，传统计算机技术将持续发展，新的计算机技术、新领域的计算机技术应用，使计算机技术成为当今与人类息息相关的一门重要科学技术。本文对计算机技术发展和应用的相关方面进行了介绍，包括计算机技术的发展和现状、新型计算机系统和计算机技术、计算机智能化发展等，以及计算机技术的实际应用，如在科学技术前沿阵地的电厂中的应用以及电厂的计算机自动化控制发展趋势。 2016年3月，互联网上，各大门户网站的首页，都大篇幅报道“阿尔法人机大战”，最终人工智能以4：1战胜围棋大师李世石，这是google以研发的人工智能挑战人类智能的方式，宣告其计算机技术人工智能化的重大突破和应用。这篇报道，说明计算机技术的发展，已经走进人工智能发展的时代。 从世界上第一台电子计算机ENIAC问世至今已经将近70年，它的问世对人们的生活有着革命性的影响。20世纪后期，计算机技术开始逐步应用到社会的各个角落，计算机的性能也获得了提升。不管是家庭、还是企业、机关，计算机都广泛地发挥着作用，成为人们工作生活中不可获取的一部分。现今的计算机在运算性能、应用领域和生产成本等各方面取得了空前的发展，其未来的发展趋势在很大程度上决定了很多行业的发展速度，也将会是影响整个社会进步的一个重要因素。 计算机的发展趋势将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。 1.未来计算机技术的发展趋势 1.1多极化趋势 如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。 1.2 网络化趋势 网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。 随着信息技术快速发展，计算机也越来越普及，各种家用电器也开始走向智能化，未来
2007年上半年公布的第29届TOP500，重新排定了世界各国在高性能计算机方面的座次，我们可以从中看出IT技术与产业发展的几大趋势。近日，全球最快计算机性能排行榜――TOP500最新排名新鲜出炉。TOP500每年上下半年会分别推出两次，已经成为全球最快计算机的大检阅，许多国家公司都以上榜为荣；另一方面，TOP500已经成为业界观察IT技术与产业发展的一个风向标。 2007年上半年公布的第29届TOP500，重新排定了世界各国在高性能计算机方面的座次。实际上，各个国家所占的比例，与其国家的经济与科技发展水平基本相当，同时也预示着在未来发展中的潜力。业内人士历来把高性能计算机的应用程度视为国家综合实力的体现。 透过第29届TOP500，我们依然可以看出IT技术与产业发展的几大趋势。 双核处理器占据统治地位 自从多核技术出现以来，对多核处理器的追求就成为业界一大看点。从单核到双核，从双核到4核，从4核到8核，甚至从8核到16核，多核处理器不断推陈出新。从第29届TOP500我们可以看出，双核处理器占据绝对领先的地位。Intel公司的酷睿双核处理器增长最快，被205个系统所采用，而6个月前推出的第28届TOP500中，采用酷睿双核处理器的系统仅有31个。此外，有90个系统采用了AMD公司的双核Opteron处理器，而6个月前采用该处理器的系统仅为75个。
采用四核处理器的系统并不如人们想像得那么多，这与双核处理器日益成熟、用户易于接受直接相关。现在看来，双核处理器已经成功入主主流市场，而四核处理器则会在AMD四核处理器推出之后才会有上佳的表现。 x86服务器发展迅猛 在高性能计算中应用的处理器多种多样，其中包括Intel的Xeon、酷睿Dual Core、安腾，AMD的单核与多核Opteron，IBM的PowerPC、Power，HP的PA-RISC、Alpha，Sun与富士通的SPARC64等。在TOP500中，采用最多的还是x86架构的处理器，Intel与AMD公司提供的x86处理成为采用最多的两种处理器。TOP500中，采用Intel公司处理器的系统达到289个，占所有系统的58％，而6个月前的数字分别为261个和55％; 采用AMD公司处理器的系统达到105个，占所有系统的21％，而6个月前的数字分别为113个和26％; 采用IBM公司Power处理器的系统则降低到85个，占所有系统的17％，6个月前的数字分别为93个和16％。 高性能计算采用的处理器的变化可以折射出服务器发展的一个方向x86服务器发展迅猛，并且势不可挡；非x86服务器发展势头减缓，成本增高。 巨头对产业影响日渐突出
高性能计算技术及其应用 作者：迟学斌赵毅 (中国科学院计算机网络信息中心北京 100080) 摘要简要介绍了当前高性能计算机、并行算法、并行编程环境和高性能 计算应用的国际研究现状和发展趋势，阐述了近几年中科院高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展情况，最后对我院发展高性能计算技术及应用 给出了几点思考。 关键词高性能计算技术，并行算法，并行编程环境 高性能计算是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。随着信息化社会的飞速发展，高性能计算已成为继理论科学和实验科学之后科学研究的第三大支柱。在一些新兴的学科，如新材料技术和生物技术领域，高性能计算机已成为科学研究的必备工具。同时，高性能计算也越来越多地渗透到石油工业等一些传统产业，以提高生产效率、降低生产成本。金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。 1 国际研究现状和发展趋势 1.1 高性能计算机 电子计算机在诞生之初主要就是为科学计算服务的。到20世纪60年代，随着技术的成熟，计算机开始走向商业领域，且应用范围越来越广。为有别于“通用计算机”，专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为 “高性能计算机”(HPC)。 1.1.1 高性能计算机发展历史 20世纪70年代出现的向量计算机可看作是第一代HPC，通过在计算机中加入向量流水部件，大大提高了科学计算中向量运算的速度。其中较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列和中国的银河一号及中科院计算所的757计算机。80年代初期，随着VLSI技术和微处理器技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破，“性/价比”而非单一性能成为衡量HPC系统的重要指标。90年代初期，大规模并行处理(MPP)系统已开始成为HPC发展的主流，MPP系统由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。代表性系统有TMC的CM-5、Intel Paragon、中科院计算所的曙光1000等。较MPP早几年问世的对称多处理(SMP)系统由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成，早期的SMP和MPP 相比扩展能力有限，不具有很强的计算能力，但单机系统兼容性好，所以90
高性能计算的发展现状分析 张晓峰，李昭，陈鹏 （三峡大学计算机与信息学院，湖北武汉443002） 摘要：我国经济不断进步，信息产业取得了较好的发展，社会的发展使得对计算能力的需求越来越高，间接促使了高性能计算的发展。文章主要描述了当前中国高性能计算机发展现状，分析了高性能计算机的应用领域，最后简要讨论了中国高性能计算发展的一些缺陷。 关键词：高性能计算；应用；挑战；排行榜 中图分类号：TP38文献标识码：A文章编号：1673-1131（2019）01-0041-03 Development analysis of High Performance Computing Zhang Xiaofeng1,Li Zhao2,Peng Chen1 (1.College of Computer and Information Technology,China Three Gorges University,Yichang,443002,China) Abstract:With China's economic progress,the information industry has achieved great development,social development re-quires higher capacity for computing,indirectly prompted the development of high-performance computing.This paper mainly describes the current situation of the development of high-performance computer in China,analyzes the application fields of HPC,and finally discusses some shortcomings of the development of HPC in China. Key words:High Performance Computing;Application;Challenge;rank list 0引言 1964年10月16日，中国首颗原子弹在新疆罗布泊爆炸成功，从1958年毛泽东主席做出重大决策要发展“两弹一星”到首颗原子弹爆炸成功，中国花了6年时间，在首颗原子弹研制过程中，部分数据交给了小型计算机处理，但整个原子弹设计模型都是在104型上完成的，而这种计算机在当时的中国只有2台，平均每秒运算1万次。而后，中国从原子弹到氢弹的突破速度是五个核大国中最快的，美国作为先行者，用了7年零3个月，苏联用了约4年时间，法国更是用了8年零6个月，中国仅仅用了2年零8个月。中国不只是花费更短的时间，并且在试验次数上有着明显的优势，美国从氢弹到原子弹 有效数据占比为(2204-220)/2204=90% 业务数据占比：上行控制信道开销一般取21%，上行业务数据占比取79%。 因此，上行频谱效率=2046bit/25ms/25KHz*90%*79% =2.27bps/Hz 2.3IoT-G下行频谱效率 计算方法与LTE-G相同 下行数据量=子载波数*(时隙0+时隙1+DwPTS)的符号数*调制阶数=6*(6+6+1)*6=468bit 有效数据占比计算： 下行总时长为120+120+20=260T s，CP总时长为24+24+4=52T s 有效数据占比为(260-52)/260=80% 业务数据占比：下行控制信道开销一般取25%，下行业务数据占比取75% 因此，下行频谱效率=468bit/10ms/25KHz*80%*75%= 1.10bps/Hz 2.4IoT-G上行频谱效率 上行数据量=子载波数*（时隙3+时隙4+UPTS）的符号数*调制阶数=6*(6+6+3)*6=5406bit 有效数据占比计算： 上行总时长为120+120+60=300T s，CP总时长为24+24+12=60T s 有效数据占比为(300-60)/300=80% 业务数据占比：上行控制信道开销一般取21%，上行业务数据占比取79% 因此，上行频谱效率=540bit/10ms/25KHz*80%*79%= 1.33bps/Hz 3结语 LTE-G与IoT-G 的频谱效率对比如下表： 上行频谱效率上，LTE-G230MHz比IoT-G230MHz高70%左右； 下行频谱效率上，IoT-G230MHz比LTE-G230MHz高18%左右。 由于LTE-G230MHz上下行时隙比是3：1，因此上行效率更高；IoT-G230MHz上下行时隙比是2：2，下行效率更高。 另外，由于帧结构上的区别，LTE-G230MHz的CP开销为10%，而IoT-G230MHz的CP开销为20%，因此总的频谱效率上LTE-G230MHz比IoT-G230MHz高出10%。 参考文献： [1]230MHz离散多载波电力无线通信系统第2部分:LTE- G技术规范. [2]230MHz离散多载波电力无线通信系统第4部分:IoT-G 技术规范 . ４１
海洋领域高性能计算的应用分析
目录 1.1 高性能计算的发展现状 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 海洋领域中高性能计算的应用 (13) 1.2.1 应用行业介绍 (13) 1.2.2 常用软件 (13) 1.2.3 海洋数值预报领域应用软件特点 (14)
1.1高性能计算的发展现状 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展
2007 年上半年公布的第29 届TOP500 ，重新排定了世界各国在高性能计算机方面的座次，我们可以从中看出IT 技术与产业发展的几大趋势。近日，全球最快计算机性能排行榜一一OP500最新排名新鲜出炉。TOP500每年上下半年会分别推出两次，已经成为全球最快计算机的大检阅，许多国家公司都以上榜为荣；另一方面，TOP500 已经成为业界观察IT 技术与产业发展的一个风向标。 2007年上半年公布的第29届TOP500，重新排定了世界各国在高性能计算 机方面的座次。实际上，各个国家所占的比例，与其国家的经济与科技发展水平基本相当，同时也预示着在未来发展中的潜力。业内人士历来把高性能计算机的应用程度视为国家综合实力的体现。 透过第29 届TOP500 ，我们依然可以看出IT 技术与产业发展的几大趋势。 双核处理器占据统治地位 自从多核技术出现以来，对多核处理器的追求就成为业界一大看点。从单核到双核，从双核到4 核，从4 核到8 核，甚至从8 核到16 核，多核处理器不断推陈出新。从第29 届TOP500 我们可以看出，双核处理器占据绝对领先的地位。Intel 公司的酷睿双核处理器增长最快，被205 个系统所采用，而6 个月前推出的第28 届TOP500 中，采用酷睿双核处理器的系统仅有31 个。此外，有90 个系统采用了AMD 公司的双核Opteron 处理器，而6 个月前采用该处理器的系统仅为75 个 采用四核处理器的系统并不如人们想像得那么多，这与双核处理器日益成熟、用户易于接受直接相关。现在看来，双核处理器已经成功入主主流市场，而四核处理器则会在AMD 四核处理器推出之后才会有上佳的表现。