高性能计算在科学计算中的应用技巧

２４　福建电脑　２００７年第４期　高性能计算的研究及应用　吕士颖　（福州大学数学与计算机科学学院福建福州３５０００２）　【摘要】：近些年来高性能计算迅猛发展，高性能计算得到了越来越广泛地应用，高性能计算已经成为一个国家综合　实力的一个重要标志，我国在高性能硬件发面已经跻身国际先进水平，可是在高性能软件和应用方面和国际先进水平还有　很大差距，针对目前这种现状，我国应该采取系列措施加以应对。　【关键词】：高性能计算，发展现状，应用，建议　１．前言　高性能计算（Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）是计算机学科的　一个比较前沿的分支．它主要研究超级计算机的架构、研制，以　及并行算法和并行软件的开发应用．致力于开发高性能计算机，　拓展高性能计算的应用　随着社会信息化．数字化的不断深入发展，计算机已经飞人　寻常百姓家．社会中的人们无时不刻都可以体验到高性能计算　带来的便捷。高性能计算机已经走出了纯粹应用于科学计算领　域．越来越多的领域开始走上了高性能计算应用之路。高性能计　算大大推动了社会朝着信息化发展。　高性能计算主要包括两个方面。一个方面是在同一台机器，　用多个ＣＰＵ并行解决同一个问题，另外一方面是利用网络，多　台计算机协同处理。可以把一个大的问题分解成若干小的问题，　然后分摊到网络中的各台计算机并行处理。　２．高性能计算发展现状　在目前的世界超级计算机排行榜上．位列榜首的是美国国　家核安全局的蓝色基因Ｂ１ｕｅ　Ｇｅｎｅ／Ｌ．运算能力每秒２８０．６万亿　次　在我国２００５年”中国高性能计算机性能ＴＯＰ１００排行榜”中，　排在第一位的是国家气象局引进的ＩＢＭ超级计算机．其峰值运　算速度突破了每秒２１万亿次　落户上海超算中心的国产曙光　４０００Ａ．排名第二，曙光４０００Ａ以峰值运算速度每秒１０万亿次　跃居世界高性能计算机ＴＯＰ５００前十名．标志着中国在高性能　计算方面已经达到世界先进水平，成为继美国、日本之后全世界　高性能计算”第三大力量”。２００５年我国高性能计算分布到社会　各行各业，包括科研机构，银行，金融保险，电信，能源，政府，工　业和教育等诸多领域　２ｏ０５年中国计算机学会高性能计算专业委员会ｆ简称高专　委１在上海成立。高专委的成立有着重要的现实背景和战略意　义．表明我们国家已经高度重视高性能计算战略重要性．也大大　地方便了广大高性能计算研究专家、学者、企业、等一些科研人　员在高性能计算、并行算法和软件等领域研究的互相交流。　虽然我国在高性能计算研究方面取得了巨大成就．逐渐的　走上了商业应用领域．但是同时我们也应该清楚地认识到我国　在高性能计算和美国、日本仍然存在巨大差距　在硬件方面，我　国高性能计算机计算峰值与美国最先进高性能计算机还相差一　个数量级。且不说硬件方面，在软件方面，我国要落后美国２０　年．国内在并行软件研究方面还非常欠缺．导致了我国在高性能　应用方面还不够深入，水平低下，这些将影响到高性能计算的长　远发展。　３．高性能计算机的应用　高性能计算是一个国家综合实力的体现．它对国家战略发　展兴衰成败起着重要的影响作用．一个国家科学技术的发展越　来越依赖于高性能计算机。目前航空、航天、汽车、核模拟实验、　军事情报搜集处理、天气预报等等都离不开高性能计算。　高性能计算最早主要应用在科学计算．如今已经开始走上　商业应用之路。在商业上．高性能计算也越来越受到重视，工业　领域所占的应用比例逐年提高．２００５年ｌ１月．发达国家工业用　户使用的高性能计算机已占到５３．２％。跨国公司，世界级大企业　越来越多地利用高性能计算所带来的好处，并且在竞争中表现　出越来越大的优势　在国内。一些重要的行业和领域对计算速度　的要求越来越高．一些企业也开始走上了高性能计算应用之路。　２００５年具有峰值运算能力１０万亿次曙光４０００Ａ落户上海　超算中心。目前。上海超级计算中心对一些重要的科学领域研究　起着重大的作用．同时超级计算中心也服务于上海地区经济的　发展．它正在建设主要面向汽车、飞机和船舶设计的综合服务平　台　超级计算中心在全国各地得到了蓬勃发展，北京，上海，西　安．合肥等等都成立了超级计算研究中心。　福建作为海峡西岸的一个重要经济区．这些年发展速度非　常迅速．但是高性能计算的研究和应用还比较薄弱，为了促进海　峡西岸经济区的长远发展．有必要开展高性能计算的研究。福建　具有漫长的海岸线．有着丰富的海洋资源，海洋是未来开发的宝　地．但是对海洋开发和利用需要对大量数据进行处理，这些都离　不开高性能计算机的参与。另外福建因为位于沿海地区，每年都　要遭受台风侵袭，能不能更加准确，更加及时地预报台风，分析　台风规律，形成对抗台风对策，这些都需要高性能计算机来分析　处理。　４．高性能计算研究若干建议　４．１发展软件业．增强软实力　我国在高性能计算机方面已经成为继美国、日本之后的第　三大高性能计算的国家。可以说在硬件在我们已经接近国际或　者跟国际同步。但是我们的软件方面落后美国等发达国家二十　年。现在的问题是机器我们有了，可是怎么好好地使用却是一个　更大的难题。高性能计算机专家说，研究出高性能计算机只占到　完成总工作量的１／３．另外２／３的工作在于应用。目前我国很多　行业的并行软件还非常欠缺．不具备通用型。很多关键领域的并　行软件都受制于人．在这种形式下严重地影响了高性能计算机　的推广和利用　高性能计算是推动科技创新、经济发展、社会进　步、国防安全的重要工具，在国家战略中占有特殊地位。在自主　创新呼声渐高的大环境下．推动我国软件行业的发展，特别是高　性能计算并行软件研究早已势在必行。　４．２产学研一起抓．缺一不可　目前我国对于高性能计算研究还处于高端科学研究阶段，　缺乏企业参与．在高等教育方面，对于高性能计算研究还非常欠　缺　形成对比的是．在美国高性能计算的研究与大企业结合非常　紧密．美国重大的高性能研究除了高校的参与，更重要的是得到　了一些大企业的支持。针对这种情况，为了提升我国高性能计算　战略发展，国家应该重视高性能计算研究，促进科研机构和大型　企业进行合作．并且应该扶持本国大型企业参与高性能计算研　究．另外一方面高校应该充当高性能计算研究中坚力量，同时政　府机构应该加大对学校科研机构的投入，构建良好的高性能研　究环境。　４．３普及应用是关键　诚然．我国在高性能计算硬件方面已经跃居世界前列，与之　形成鲜明对比的是．我国在高性能计算应用领域（下转第２６页）

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什么是高性能计算，涉及哪些技术和知识

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。高性能集

群上运行的应用程序一般使用并行算法，把一个大的普通问题根据一定的规则 分为许多小的子问题，在集群内的不同节点上进行计算，而这些小问题的处理 结果，经过处理可合并为原问题的最终结果。由于这些小问题的计算一般是可 以并行完成的，从而可以缩短问题的处理时间。

高性能集群在计算过程中，各节点是协同工作的，它们分别处理大问题的 一部分，并在处理中根据需要进行数据交换，各节点的处理结果都是最终结果 的一部分。高性能集群的处理能力与集群的规模成正比，是集群内各节点处理 能力之和，但这种集群一般没有高可用性。高性能计算的分类方法很多。这里 从并行任务间的关系角度来对高性能计算分类。

一、 高吞吐计算 （High-throughput Computing）

有一类高性能计算，可以把它分成若干可以并行的子任务，而且各个子任 务彼此间没有什么关联。因为这种类型应用的一个共同特征是在海量数据上搜 索某些特定模式，所以把这类计算称为高吞吐计算，而且算力也比较大。所谓 的In ternet计算都属于这一类。按照Fly nn的分类，高吞吐计算属于

SIMDSinglelnstruction/Multiple Data，单指令流-多数据流）的范畴。

二、 分布计算 （Distributed Computing）

另一类计算刚好和高吞吐计算相反，它们虽然可以给分成若干并行的子任

务，但是子任务间联系很紧密，需要大量的数据交换。按照 Flynn的分类，分布 式的高性能计算属于 MIMD（Multiple Instruction/MultipleData ，多指令流 -多数据

流）的范畴。

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，基本的网络拓扑和组 织可以使用一个简单的总线拓扑。HPC系统由计算、存储、网络、集群软件四 部分组成。

数值计算与高性能计算

随着科技的飞速发展，数值计算与高性能计算在各个领域起着至关重要的作用。本文将从数值计算的基本概念、数值计算的应用领域以及高性能计算的介绍和应用等方面进行探讨。

一、数值计算的基本概念

数值计算是一种利用计算机对数值进行近似计算的方法。它通过离散化、差分、积分、插值、逼近等数学方法，将实际问题转化为计算机可以处理的数值问题。数值计算常常用于解决实际问题中的数学模型，例如线性方程组、非线性方程、微分方程等。通过数值计算，可以快速、有效地获得数值解，用于科学研究、工程设计和决策分析等领域。

二、数值计算的应用领域

1. 自然科学领域：在物理学、化学、生物学等领域，数值计算被广泛应用于模拟和研究自然现象。比如，在天体物理学中，通过数值计算可以模拟星系的形成和演化过程；在分子生物学中，数值计算可以帮助研究蛋白质的结构和功能。

2. 工程技术领域：在工程设计和优化中，数值计算可以帮助进行工程分析和仿真。例如，通过有限元方法进行结构分析，可以预测工程结构的强度和稳定性；通过计算流体力学方法，可以模拟流体在管道中的运动和传热过程。 3. 经济金融领域：在经济金融领域，数值计算有助于金融模型的建立和风险管理。比如，在期权定价中，可以使用数值计算方法（如蒙特卡洛模拟）来计算期权的价格和风险价值。

4. 数据科学领域：在大数据分析中，数值计算是处理和分析海量数据的重要工具。通过数值计算方法，可以从大数据中挖掘出有用的信息和规律，支持决策和预测。

三、高性能计算的介绍和应用

高性能计算是指利用并行计算技术和专用硬件构建的计算系统，具有较强的计算能力和处理能力。它包括超级计算机和并行计算机等，可以用于解决复杂、大规模、高计算量的科学计算和工程问题。

高性能计算在各个领域都有广泛的应用。在天气预报和气候模拟中，高性能计算可以模拟大气的动力学、热力学和湍流等复杂过程；在基因测序和生物信息学中，高性能计算可以加速基因比对和序列分析；在大规模数据处理中，高性能计算可以支持大数据的存储、检索和分析。

高性能计算平台在高校中的应用与建议

作者：李小菲 钟建军 张彬 秦帅行 宋温温

来源：《现代信息科技》2020年第08期

摘 要：高性能計算在科研领域具有广泛的应用和重要的地位，高校高性能计算平台为学校学科建设的长远发展提供了强有力的支撑条件，提升了学校的科研实力与水平，有利于未来综合竞争力的提升。文章以河北大学高性能计算平台为例，介绍了高性能计算机平台的建设和在科研中的应用，并对高性能计算平台的使用情况进行了分析研究和建议。

关键词：超级计算机;高性能计算平台;计算能力

Abstracts：High performance computing （HPC） is widely used and important in scientific

research，the high performance computing platform provides a strong support for the long-term

development of the university’s discipline construction. It has improved the scientific research

strength and level of the school，it is conducive to the promotion of comprehensive competitiveness

in the future. Take the high performance computing platform of Hebei University as an example，this

paper introduces the construction of high performance computer platform and its application in