国内大型超算中心系统及应用发展态势比较分析

超级计算机系统的计算能力与高性能计算的应用水平作为国内外超级计算发展的重要标杆,已日愈受到高度关注和重视,本文主要从超级计算机系统建设和高性能计算应用两方面,对国内几个具有代表性的大型超算中心的发展态势进行比较分析,探讨促进我国大型超算中心可持续发展的相关问题与建议。     

Overlay网络下的超算中心间广域网流量调度研究

广域网上数据中心间的流量互通受复杂互联网环境的影响,跨运营商ISP之间的流量调度对网络传输速率和网络传输延迟影响很大,简单网络架构下的传统流量调度方案已经不能满足迅速增长的网络流量,严重影响了传输服务的质量.本文以国家高性能计算环境为研究背景,提出一个新的互联网环境多超算数据中心流量调度模型,利用Overlay网络构建一个流量调度完全可控的虚拟网络,通过改进底层网络协议和路由更新算法,在端到端节点间使用转发节点进行流量调度.本文通过实际超算环境进行实验,结果表明在跨运营商网络环境下使用基于Overlay网络的流量调度,可以明显降低网络传输延迟,提高传输带宽.     

面向电力业务应用的超算平台资源应用效益评估方法

面向电力业务应用的超算平台以融合架构能够很好地满足电力业务应用日益增长的算力需求,但不同电力业务应用的超算平台资源应用效益不同,科学准确地评估超算平台资源应用效益对超算平台的资源建设具有一定意义。为此,提出一种超算平台资源应用效益的量化评估方法,首先利用AHP法对电力业务应用进行分类,然后通过定量评估电力业务应用的资源占用成本,最后根据电力业务应用的分类定量评估性能优化收益,以实现对超算平台资源应用效益的量化评估。     

面向异构超算的结构分析高效并行计算方法

In order to exploit the efficient computing power of many integrated cores on heterogeneous cluster, a multi-level and multi-granularity collaborative parallel computing method is proposed for finite element structural mechanical analysis. Computing tasks are divided into three levels: inter-node parallelism, inter-device parallelism and inter-core parallelism. Through mapping decomposablecomput- ing jobs to different hardware layers of heterogeneous MIC system, the proposed method not only effectively resolves the load balancing problem between CPU and MIC devices, but also significantly reduces the communication overheads of the system. Different engineering simulation case experiments for large scale parallel computing were conducted on “Tianhe 2” supercomputer. Up to 39000 CPU+MIC cores were employed and the finite element size of the analysis was more than 100 million units. Test results show that the proposed method can achieve good speedup and parallel computing efficiency in large scale parallel computing of finite element structural analysis. The optimized adaptation of finite element structural analysis and heterogeneous MIC computing platform is realized, which can provide reference for parallel porting and performance optimization of similar applications.     

超算中心的深圳模式

在深圳，如果打车到“先进院”，你需要打开导航和司机一起找路，一不小心就会找不到坐落于南山区西丽大学城西南角的目的地，国家超级计算深圳中心便坐落在中国科学院深圳先进技术研究院的北侧，周围还是一片尚未开发的荒地。“这里的项目全部是为了超算中心而新建的。我们上一任主任徐晓冬当时负责建设，他说第一次来工地考察的时候都被这里吓到了，谁都没想到深圳发展那么多年后，还有一个地方是没有通电没有通水的。”深圳超算中心的黄志昕说，“我来的时候也吓倒了，刚建成的时候在超算中心旁边还能看到一个东周古墓群，这在两千多年前就是郊区了。我们为了保证服务的使用，专门从市里提供了20个GB的光纤接口，架构中国电信、中国联通、教育网三网连通。”     

面向电力应用经济性评价的超算平台性能评测方法

在将电力应用移植到国产超算平台的过程中,迫切需要构建应用软件在超算平台上部署和运维的经济性评价体系,以实现对技术效益和经济效益的综合考量。超算平台自身的性能深刻影响电力应用部署和运维的难易程度,是建立经济性评价体系的前提基础,因此,需要针对ARM架构的国产超算平台深入开展性能评测研究。首先介绍了超算平台性能评测的基本内涵与基本原则,在此基础上构建了超算平台的综合性能评价体系,最后给出了具体的性能评测方法。     

并行系统中时间偏移机制的典型应用算法分析

像其它许多领域一样,时间偏移机制在并行计算中也得到了充分的应用。实际上,并行计算并不能真正做到让各处理机都完全无时差地实现"并行"运算。由于各任务间存在数据依赖性,使得一些处理机不得不处于间歇等待状态,直至数据到达为止。通过一个典型的并行算法实例对时间偏移机制的作用过程作了详解,直观地描述了实现并行计算的实质,以便为用户在理解并行行为和设计并行程序时提供一些参考。     

一种超算系统的强度可用性建模与评估

可用性评估越来越注重用户的感知,强度可用性就是这样一种能反映用户所感知的系统计算能力的可用性评估指标。然而超算系统所面对的用户有很多,他们在不同层次上与系统交互,因此所感知的强度可用性各不相同,但相互之间存在关联。若分别为他们建模求解,既会造成很多重复性工作,也会延长评估的过程。提出一种名为UHAM（User-oriented Hierarchical AvailabilityModeling）的、基于层次化建模的强度可用性评估方法,实现了一次建模与求解能满足多个评估需求的目的。UHAM方法独立于系统的具体结构,因而具有普适性。     

基于工作流的气象超算作业调度应用研究

数值天气预报系统的运行涉及大量科学计算和复杂的流程控制,需要建立高效、稳定的自动化流程调度监控软件实施调度管理。对基于工作流的气象超算环境下的作业调度应用进行了研究,给出了三种基于气象超算的工作流环境建设方案和应用经验,阐述了结合超算平台的作业管理软件实现基于工作流的自动化作业运行调度的实现机制,总结提炼了工作流的设计原则。基于数值预报模式集成中试支撑平台的应用结果表明,基于工作流的流程化调度实现方案,可以高效地支持数值预报业务和科研应用的流程控制管理及监控。     

一种基于统计排序的网络流量特征选择方法

利用网络流量的统计特征进行流量的分类识别需要从众多的特征中选取最优特征集合,以避免冗余和不相关特征造成的系统模型复杂度过高、分类准确率和效率下降等问题。针对该问题,提出一种基于统计排序的网络流量特征选择方法。首先利用基于统计方法定义的特征选择系数生成初始特征子集,再将基于分类准确率构建的特征影响系数作为特征评估排序的依据,对初始特征子集进行二次特征选择,生成最优特征子集。实验结果表明,该方法在保证分类整体准确率的同时有效减少了流量统计特征的个数,在分类效果、效率以及稳定性之间实现了较好的平衡。     

基于高性能计算的联想智能超算平台LiCO的设计与实现

高性能计算集群软件是高性能计算平台的核心,如何高效地利用平台性能是集群软件面对的主要问题。联想智能超算平台LiCO致力于提供简单、易用、丰富的高性能计算及人工智能平台,具有管理、监控、报警、作业调度等多项高性能计算功能。本文简要介绍了高性能计算集群架构后,详细描述了LiCO软件的高性能计算功能。该软件不但具有高性能计算功能,在人工智能领域也在不断深入探索与研发。     

超算中心环境监测系统的设计和实现

超级计算机对其运行环境有极为苛刻的要求,它的持续稳定运行需要通过水冷、风冷等设备对机房温度进行严格控制,为了检测制冷设备的稳定程度并制定合理的温度控制策略,提出了以Linux操作系统和S3C2440处理器为平台构建分布式温度采集系统的思想,该系统通过分布在机房多处的温度传感器采集机房内的温度值,并将这些数据存入本地SQLite数据库,再通过Boa服务和CGI技术访问这些信息,系统管理人员则可以通过分析这些温度信息判断制冷设备的可靠性并制定合理的温度控制策略。首先论述了系统的相关技术和实现方法,再将系统布置在机房中进行测试,测试结果表明,系统运行稳定、监测数据可靠,能够满足需求。     

IB网上CPU-GPU异构超算平台容器性能评估及优化

为了实现资源和系统环境的隔离,近年来新兴了多种虚拟化工具,容器便是其中之一。在超算资源上运行的问题通常是由软件配置引起的。容器的一个作用就是将依赖打包进轻量级可移植的环境中,这样可以提高超算应用程序的部署效率。为了解基于IB网的CPU-GPU异构超算平台上容器虚拟化技术的性能特征,使用标准基准测试工具对Docker容器进行了全面的性能评估。该方法能够评估容器在虚拟化宿主机过程中产生的性能开销,包括文件系统访问性能、并行通信性能及GPU计算性能。结果表明,容器具备近乎原生宿主机的性能,文件系统I/O开销及GPU计算开销与原生宿主机差别不大。随着网络负载的增大,容器的并行通信开销也相应增大。根据评估结果,提出了一种能够发挥超算平台容器性能的方法,为使用者有针对性地进行系统配置、合理设计应用程序提供依据。     

一种基于超统计理论的非平稳时间序列异常点检测方法研究

从非平稳时间序列的分布函数及其参数入手,主要研究分布函数不变分布参数变化的这一类非平稳的时间序列异常点检测方法,提出了基于超统计的异常检测方法,并将其应用于非平稳网络流量时间序列。从网络流量的非平稳和突发性特点出发,特别考虑到由于攻击流量所引起的流量特性的变化,结合超统计理论,主要研究分布参量的变化。根据超统计的理论,先应建立分布统计模型,研究分布模型不同参数变化对分布的决定性作用,从而将异常网络流量的检测研究转化成对慢变量参数序列的检测研究。该检测方法大大降低了计算的复杂度。通过大量实验表明该方法具有良好的效果。     

MPICH在Windows操作系统中的实现与应用

该文给出了对应于MPI标准的MPICH软件包在Windows操作系统中的配置和在MSVC＋＋中的实现方法，并对MPI与C／C＋＋绑定的基本编程进行了简要介绍。然后将其与一种电磁场数值算法——时域有限差分法相结合，以一维情况为例，讨论了网络并行时域有限差分法的实现方法。通过在由两台PC机构成的最简单的PC机群上的编程实现，验证了这种方法的可行性和高效性，实验结果表明通过MPICH软件包实现时域有限差分法的网络并行运算，可以使这种算法的加速比达到1．8。     

基于Linux的超算系统中Windows应用程序运行环境探究

超算系统大多是基于Linux操作系统搭建的,限制了基于Windows操作系统的应用软件使用。此外,超算系统操作的高门槛使不熟悉Linux操作系统的用户望而却步,造成超算系统用户流失。基于Linux超算系统环境,探索兼顾超算系统运维管理便利性的Windows应用程序使用方法。研究通过X11转发、Wine和虚拟化等技术,为用户提供兼容超算作业调度系统Windows应用程序运行环境,同时提供安全、稳定的用户个人文件访问方法。所采用的配置方法与实例,可为具有类似需求的超算中心提供解决方案,从而拓宽用户软件应用范围,提高用户满意度。     

超级计算中心核心应用的浅析

目前,我国国家级超算中心大多采用“地方政府投资、以市场为导向开展应用”的建设思路,地方政府更关心 涉及本地企事业单位的高性能计算应用和服务,超算中心常被用于普通的应用,很难充分发挥超级计算的战略作用。 如何让超算中心这艘能力超强的航母生存下来,进而“攻城掠地”,推动技术创新,一直是业内人士研究的课题。初步 探讨了国内超算中心核心应用所面临的挑战,提出了超算中心核心应用服务地方建设的几点建议。     

应用透明的超算多层存储加速技术研究

在E级计算时代,超算系统一般使用多层存储架构以满足应用数据访问的容量和性能需求,这种架构中不同层次的存储介质差异较大,难以实现统一名字空间管理,往往需要应用修改数据访问流程才能最大程度利用到多层存储的性能和容量优势。针对多层存储统一名字空间的问题,提出针对非易失性双列存储模块（NVDIMM）的块级缓存和针对突发缓冲存储（BB）的文件级缓存技术。基于NVDIMM的块级缓存技术对缓存窗口灵活控制,以支持数据块粒度的异步读写,实现NVDIMM与BB层统一名字空间管理;基于BB的文件级缓存技术将数据缓存在BB层中,并动态迁移和管理文件副本,实现BB层与传统磁盘文件系统统一名字空间管理。在神威E级原型验证系统中的测试结果表明,所提出的两种技术较好地解决了多层存储的透明加速难题,NVDIMM块级缓存与BB相比,在缓存窗口16 MB时128 KB顺序读写带宽分别提升27%和36%,8 KB随机读写带宽分别提升20%和37%;基于BB的文件缓存技术利用BB的高带宽支撑数据访问,与全局文件系统相比,128 KB顺序读写带宽分别提升55%和141%,8 KB随机读写带宽分别提升163%和209%。此外,实际应用的测试也表明以上两种缓存技术具有透明的存储加速效果。     

基于端边云超融合的算力网络架构

算力网络中面临算力用户侧、算力提供者侧和组网侧多方面的服务挑战,包括：1）如何为用户提供适应性的计算服务,以满足用户多样化的需求;2）如何保证算力提供者的效益,从而实现算力网络的价值激励;3）如何支持弹性的组网服务和算力资源调度,从而实现快速响应。基于区块链技术构建了端边云超融合的算力网络架构,并将适应性、弹性和价值作为该架构下算力用户侧、算力提供者侧和组网侧的主要服务指标。通过求解多方优化问题达到算力网络中多方成员的服务效益均衡。实验结果表明,与云中心架构和边云协同架构相比,端边云超融合的算力网络具有更好的服务和通信性能,同时算力提供者侧价值平均提升了28.94%。     

基于特征匹配的单目相机姿态解算

本文采用了一种基于AKAZE特征检测和PnP算法的单目视觉测量方法对相机的相对姿态进行解算,用于快速准确地确定空间中两个目标间的位姿关系.采集合作目标的模板图像,提取附加到合作目标上的4个特征点的像素坐标,利用AKAZE关键点对模板图像和待测图像进行匹配并计算映射矩阵,通过映射矩阵得到4个特征点在待测图像中的像素坐标,然后结合合作目标的尺寸信息求解基于4个共面特征点的PnP问题,解算相机与合作目标的相对位置.实验分析表明该方法计算的实时图像相机位姿与真实结果接近,验证了本文方法的有效性.