超級計算機(jī)現(xiàn)狀和我國發(fā)展規(guī)劃

超級計算機(jī)現(xiàn)狀和我國發(fā)展規(guī)劃9/11/20232匯報內(nèi)容

Outline超級計算機(jī)現(xiàn)狀和我國發(fā)展規(guī)劃國家超算天津中心及天河一號介紹未來國家超算天津中心重點研發(fā)方向與資源更新規(guī)劃

9/11/20233超級計算機(jī)現(xiàn)狀和國內(nèi)發(fā)展規(guī)劃HPCdevelopmentstrategyandsituation第一部分9/11/20234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，3萬億次CrayT3E-12001998年1Tflops19831992CrayT3D1993,19Gflops走鵑，2008年，1千萬億次天河二號2013年，5.5萬萬億次2013年天河二號5.49萬萬億次從1.6億次到5.49萬萬億次；38年性能提高了340000000倍39年前第一臺商用巨型機(jī)問世1997超級計算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃TH-1A，2010年，4.7PFlops9/11/20235超級計算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃提高超級計算機(jī)性能的三駕馬車主頻、指令級并行、并行度并行度足夠?qū)挘〝?shù)萬結(jié)點）足夠深（核間、異構(gòu)、SIMD、指令級）9/11/20236超級計算機(jī)是國家綜合科技創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)支撐，全球各大國家均大力發(fā)展超級計算機(jī)中國近幾年在大力發(fā)展超級計算機(jī)超級計算機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃9/11/20237天河超級計算機(jī)發(fā)展DevelopmenthistoryofTianhesupercomputer1978年，由小平批準(zhǔn)，國防科大開始研制“銀河-1”從此，開始了中國研制超級計算機(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4.7Pflops,2010天河二號55Pflops,20139/11/20238高性能計算機(jī)

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

HPCapplicationsSupport建立適應(yīng)不同行業(yè)的國家高性能計算應(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)值模擬軟件平臺部署容量型普適推廣應(yīng)用課題，部署于國家超算中心等，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、支撐國家創(chuàng)新發(fā)展的國家高性能計算環(huán)境科技部高性能計算計劃:2016-2020

MOSTprojectsonHPC:2016-20209/11/20239國家超級計算天津中心與天河一號IntroductiontoNSCC-TJ&Tianhe-1A第二部分我國目前已投入運(yùn)營的應(yīng)用范圍最廣、綜合支撐能力最強(qiáng)的國家級超算中心峰值4700萬億次的天河一號超級計算機(jī)；400臺以上服務(wù)器的通用云計算系統(tǒng)；容量超過10PB的海量存儲系統(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)為高性能計算、云計算和大數(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-TJ國家發(fā)改委“大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用”國家地方聯(lián)合工程實驗室國家工信部工業(yè)云試點單位國家科技部示范型國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)合實驗室NSCC-TJ計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新廣泛的應(yīng)用成效天河一號國際學(xué)術(shù)界的評價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”的運(yùn)算速度比橡樹嶺國家實驗室的要快大約40%，這是運(yùn)算速率的極大提升。中國同時研制了一種互聯(lián)技術(shù)，讓這些處理器相互聯(lián)系，這不是美國的技術(shù)，而是中國自己的技術(shù)。這是一個創(chuàng)舉。ThetechnologybelongstoChina,notU.S.,it’sapioneeringwork

--美國田納西大學(xué)教授杰克?唐加拉Prof.JackDongarra,TennesseeUniversity中國的“天河一號”采取的CPU與GPU融合的結(jié)構(gòu)，代表了未來超級計算機(jī)的發(fā)展趨勢。隨著計算機(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，但目前看來是最好的。Thearchitectureisnottheonlysolution,butthebestsofar

--美國斯坦福大學(xué)計算機(jī)系主任比爾?戴利BillyDaley,ComputerScienceCollege,StanfordUniversity三大技術(shù)創(chuàng)新Threetechnicalinnovations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

Weatherforecast高性能計算的主要應(yīng)用領(lǐng)域ThemainapplicationareaofHPC動漫設(shè)計

AnimationDesign高端裝備制造

Thehigh-endequipmentmanufacturing土木建筑設(shè)計分析

BIM金融工程

FinancialEngineering基礎(chǔ)科學(xué)研究等

ResearchonBasicsciences超級計算的重要作用：提升國家創(chuàng)新能力，加速戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展ImprovethenationalinnovationabilityandacceleratethedevelopmentofstrategicemergingindustriesinChina2023/9/1115業(yè)內(nèi)專家和用戶的評價綜合服務(wù)能力最強(qiáng)，系統(tǒng)最穩(wěn)定，服務(wù)質(zhì)量最好計算服務(wù)應(yīng)用計時：>140萬機(jī)時/天每天運(yùn)行任務(wù)數(shù)：>1000存儲數(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)營情況2023/9/1116天津超算中心運(yùn)營情況“天河一號”系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)，支撐國家重大科研項目超過800項國家自然科學(xué)基金項目超過600項863和973項目超過100項其他重大項目（工信部、發(fā)改委、中石油、中海油等）超過40項國際和地區(qū)項目超過10項服務(wù)全國大部分省份（包含香港地區(qū)），2014年服務(wù)用戶已經(jīng)超過600余家2023/9/1117聚變領(lǐng)域研究合作合作單位：北京大學(xué)、中國科學(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多億2023/9/1118聚變技術(shù)開發(fā)及相關(guān)合作實際操作GTC程序移植到“天河一號”程序部署熱點分析Pushe:獲得網(wǎng)格點上的場數(shù)據(jù)，根據(jù)作用力更新電子的位置Shifte:高度串行化計算MPI操作2023/9/1119聚變技術(shù)開發(fā)及相關(guān)合作程序的具體優(yōu)化策略存儲器訪問優(yōu)化（針對pushe）針對三維訪問數(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pushe）臨時數(shù)組直接在GPU中分配使用GPU的寄存器來存放部分?jǐn)?shù)組不變數(shù)組只在第一調(diào)用kernel時傳遞到GPU算法優(yōu)化（針對shifte）分級并行緊致化：通過分級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~7xspeedup2023/9/1120聚變技術(shù)開發(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個節(jié)點為例說明GPU對electron模塊的加速ProfileoftheCPUandGPUversionfor512MPIprocesses/6openMPthreadsrun2023/9/1121聚變技術(shù)開發(fā)及相關(guān)合作WeakScalingTestGTC總體性能有2~3倍的加速，同時程序具有良好的可擴(kuò)展性。2023/9/1122聚變技術(shù)開發(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)展性測試。與美國國家能源研究科學(xué)計算中心NERSC的Edison系統(tǒng)進(jìn)行測試比較2023/9/1123聚變技術(shù)開發(fā)及相關(guān)合作測試環(huán)境對比：計算結(jié)點：NERSC-Edison:2個12核IntelIvyBridge處理器，2.4GHz天河一號：2個6核IntelNehalem處理器，2.93GHz互聯(lián)：NERSC-Edison:CrayArieswithDragonflytopologywith23.7TB/sglobalbandwidth天河一號：自主高速互聯(lián)MPI實現(xiàn)：NERSC-Edison:基于GCC4.9.1(CrayInc.)、Cray-mpich/7.0.3天河一號：基于GCC4.4.7編譯器、openmpi編譯生成的mpi2023/9/1124聚變技術(shù)開發(fā)及相關(guān)合作在Edison和天河一號上的測試對比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，在天河上使用openmpi編譯的bout表現(xiàn)出較差的scaling，原因為solver模塊中的PVODE求解器的耗時隨著進(jìn)程數(shù)的增加反而增加。目前正在針對solver模塊進(jìn)一步分析導(dǎo)致耗時異常的代碼段。9/11/202325未來國家超算天津中心重點研發(fā)方向與資源更新規(guī)劃第三部分9/11/20232007年，圖靈獎獲得者JimGray在美國國家研究理事會計算機(jī)科學(xué)和遠(yuǎn)程通訊委員會（NRC-CSTB）的演講報告中提出了科學(xué)研究“第四范式”第一范式：實驗科學(xué)研究范式描述自然現(xiàn)象，主要以觀察和實驗為依據(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、實驗和模擬一體

的數(shù)據(jù)密集計算處理研究高性能計算、大數(shù)據(jù)和云計算融合技術(shù)FusionTech.ofBigDataandHPC,CCatNSCC-TJ9/11/2023天津超算中心運(yùn)營情況9/