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1、,超级计算机现状和我国发展规划,1/24/2019,2,汇报内容 Outline,超级计算机现状和我国发展规划 国家超算天津中心及天河一号介绍 未来国家超算天津中心重点研发方向与资源更新规划,1/24/2019,3,超级计算机现状和国内发展规划 HPC development strategy and situation,第一部分,1/24/2019,4,日本地球模拟器 2002年，40Tflops,IBM BlueGene/L 2005年，367Tflops 2007年，596Tflops,IBM BlueGene/L 2005年，367Tflops 2007年，596Tflops,Cray
2、-YMP 1988年，2.3Gflops,Cray-1 1976 160Mflops,IBM红色选择 1999年，3万亿次,Cray T3E-1200 1998年1Tflops,1983,1992,CrayT3D 1993, 19Gflops,走鹃，2008年， 1千万亿次,天河二号 2013年，5.5万万亿次,2013年天河二号5.49万万亿次,从1.6亿次到5.49万万亿次； 38年性能提高了340000000倍,39年前第一台商用巨型机问世,1997,超级计算机现状和发展规划,TH-1A，2010年， 4.7PFlops,1/24/2019,5,超级计算机现状和发展规划,提高超级计算机性
3、能的三驾马车 主频、指令级并行、并行度 并行度 足够宽（数万结点） 足够深（核间、异构、SIMD、指令级）,1/24/2019,6,超级计算机是国家综合科技创新能力的基础支撑，全球各大国家均大力发展超级计算机 中国近几年在大力发展超级计算机,超级计算机现状和发展规划,1/24/2019,7,天河超级计算机发展 Development history of Tianhe supercomputer,1978年，由小平批准，国防科大开始研制“银河-1” 从此，开始了中国研制超级计算机的艰难和辉煌的历程 Approved by Xiao-ping DENG, the NUDT started to
4、develop the “Milky Way -1”. From then on, began a difficult and glorious history of Chinese Supercomputer research.,银河-1 100Mflops,1983,银河-2 1Gflops,1990,银河-3 10Gflops,1997,天河一号 4.7Pflops,2010,天河二号 55Pflops,2013,1/24/2019,8,高性能计算机 Supercomputer R&D 建立协同研发的机制，集中优势力量，突破核心关键技术 研制Eflops超级计算系统（1000 Pflop
5、s) 高性能计算应用 HPC applications Support 建立适应不同行业的国家高性能计算应用软件中心 部署行业能力型重大应用软件系统的研发，构建能力型行业重大应用数值模拟软件平台 部署容量型普适推广应用课题，部署于国家超算中心等，培育、吸引和稳定一批自主应用软件系统的用户 高性能计算环境 HPC environment Construction 建立具有世界一流资源能力和服务水平的、支撑国家创新发展的国家高性能计算环境,科技部高性能计算计划 : 2016-2020 MOST projects on HPC: 2016-2020,1/24/2019,9,国家超级计算天津中心与天河
6、一号 Introduction to NSCC-TJ & Tianhe-1A,第二部分,我国目前已投入运营的应用范围最广、综合支撑能力最强的国家级超算中心 峰值4700万亿次的天河一号超级计算机； 400台以上服务器的通用云计算系统； 容量超过10PB的海量存储系统； 多领域行业软件； 完善的网络基础设施； 完善的机房、供电、制冷等基础设施。 主要业务为高性能计算、云计算和大数据服务，目前服务的政府、企业及科研院所用户数已达600余家,NSCC-TJ,国家发改委“大数据技术与应用”国家地方联合工程实验室 国家工信部工业云试点单位 国家科技部示范型国际合作基地 博士后科研工作站 与多家企业和研究
7、机构建立的联合实验室,NSCC-TJ,计算机技术创新 广泛的应用成效,天河一号,国际学术界的评价 Remark from international academia,CPU+GPU异构融合体系结构 CPU+GPU heterogeneous architecture 64位多核多线程自主飞腾1000 CPU 64 bits Multi-core and Multi-thread CPU 自主高速互连通信技术 Self-developed High-speed interconnect communication technology,三大技术创新 Three technical innova
8、tions,石油勘探 Oil Exploration 生物医药 Biological medicine 航空航天 Aero and Space craft design 可控核聚变 Nuclear fusion 气象预报 Weather forecast,高性能计算的主要应用领域 The main application area of HPC,动漫设计 Animation Design 高端装备制造 The high-end equipment manufacturing 土木建筑设计分析 BIM 金融工程 Financial Engineering 基础科学研究等 Research on
9、Basic sciences,超级计算的重要作用：提升国家创新能力，加速战略性新兴产业发展 Improve the national innovation ability and accelerate the development of strategic emerging industries in China,2019/1/24,15,业内专家和用户的评价 综合服务能力最强，系统最稳定，服务质量最好 计算服务应用计时：140万机时/天 每天运行任务数：1000 存储数据规模：4.5PB 服务至今已4年（2010.122015.3）,2014年10月11日31日的作业运行状况,天津超算中心
10、运营情况,2019/1/24,16,天津超算中心运营情况,“天河一号”系统稳定运行服务，支撑国家重大科研项目超过800项 国家自然科学基金项目超过600项 863和973项目超过100项 其他重大项目（工信部、发改委、中石油、中海油等）超过40项 国际和地区项目超过10项 服务全国大部分省份（包含香港地区），2014年服务用户已经超过600余家,2019/1/24,17,聚变领域研究合作,合作单位：北京大学、中国科学技术大学、浙江大学、nvidia 托卡马克“回旋环形等离子体代码”GTC程序的GPU开发与优化 模拟规模：50,000 cores，每秒模拟的电子数达300多亿,2019/1/24
11、,18,聚变技术开发及相关合作,实际操作 GTC程序移植到“天河一号” 程序部署 热点分析 Pushe: 获得网格点上的场数据，根据作用力更新电子的位置 Shifte: 高度串行化计算 MPI操作,2019/1/24,19,聚变技术开发及相关合作,程序的具体优化策略 存储器访问优化（针对pushe） 针对三维访问数组进行纹理绑定 合并数组增加缓存命中率 CPU-GPU数据传递优化（针对pushe） 临时数组直接在GPU中分配 使用GPU的寄存器来存放部分数组 不变数组只在第一调用kernel时传递到GPU 算法优化（针对shifte） 分级并行紧致化：通过分级scan方法 并发执行 串行代码与
12、kernel并发执行 在GPU内部使用多流，使kernel间并发执行,Improve performance about 20%,Improve performance about 20%; Cache hit rate from 8% to 35%; Total 3x kernel performance speedup,SHIFTE gets 1.8x speedup,CPU-GPU transfer time reduced to 12% of pushe kernel time.,PUSHE gets 7x speedup,2019/1/24,20,聚变技术开发及相关合作,以512个节
13、点为例说明GPU对electron模块的加速,Profile of the CPU and GPU version for 512 MPI processes/6 openMP threads run,2019/1/24,21,聚变技术开发及相关合作,Weak Scaling Test,GTC总体性能有23倍的加速，同时程序具有良好的可扩展性。,2019/1/24,22,聚变技术开发及相关合作,合作单位：中科院等离子体所 边界湍流模拟程序BOUT+在天河上的扩展性测试及分析：将BOUT+成功部署到天河系统，并进行多组扩展性测试。 与美国国家能源研究科学计算中心NERSC的Edison系统进行测
14、试比较,2019/1/24,23,聚变技术开发及相关合作,测试环境对比： 计算结点： NERSC-Edison: 2个12核Intel Ivy Bridge处理器，2.4GHz 天河一号：2个6核Intel Nehalem处理器，2.93GHz 互联： NERSC-Edison: Cray Aries with Dragonfly topology with 23.7 TB/s global bandwidth 天河一号：自主高速互联 MPI实现： NERSC-Edison: 基于GCC 4.9.1(Cray Inc.)、Cray-mpich/7.0.3 天河一号：基于GCC 4.4.7编译器
15、、openmpi编译生成的mpi,2019/1/24,24,聚变技术开发及相关合作,在Edison和天河一号上的测试对比,Tianhe-openmpi下，CALC可以保持较好的scaling，solver的scaling最差。 当进程数大于128时，在天河上使用openmpi编译的bout表现出较差的scaling，原因为solver模块中的PVODE求解器的耗时随着进程数的增加反而增加。 目前正在针对solver模块进一步分析导致耗时异常的代码段。,1/24/2019,25,未来国家超算天津中心重点研发方向与资源更新规划,第三部分,1/24/2019,2007年，图灵奖获得者Jim Gray
16、在美国国家研究理事会计算机科学和远程通讯委员会（NRC-CSTB）的演讲报告中提出了科学研究“第四范式” 第一范式：实验科学研究范式 描述自然现象，主要以观察和实验为依据的研究 第二范式：理论科学研究范式 主要以建模和归纳为基础的理论推导与分析研究 第三范式：计算科学研究范式 主要以模拟仿真复杂现象为基础的计算科学研究 第四范式：数据科学研究范式 以数据考察为基础，联合理论、实验和模拟一体 的数据密集计算处理研究,高性能计算、大数据和云计算融合技术 Fusion Tech. of Big Data and HPC, CC at NSCC-TJ,1/24/2019,天津超算中心运营情况,1/24/2019,28,高性能计算、大数据和云计算融合技术 Fusion Tech. of Big Data and HPC, CC at NSCC-TJ,大数据硬件技术与环境建设的核心为数据分析和数据挖掘， 通过云计算虚拟与集成技术实现大数据的采集与应用服务， 通过高性能计算配合数
