高性能計(jì)算大顯神威 氣象、地質(zhì)勘探行業(yè)受益
時(shí)間：2009-07-02 01:24:00
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談到高性能計(jì)算，最為典型的代表莫過(guò)于氣象、地質(zhì)勘探行業(yè)的應(yīng)用。氣象行業(yè)中高性能計(jì)算主要應(yīng)用在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的業(yè)務(wù)運(yùn)算研究以及研制開(kāi)發(fā)上。所謂數(shù)值預(yù)報(bào)即根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過(guò)大型計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，求解描寫天氣演變過(guò)程的流體力學(xué)和熱力學(xué)的方程組，預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。
根據(jù)天氣動(dòng)力學(xué)原理，用十幾個(gè)偏微方程組來(lái)描述大氣的物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用數(shù)值解將空間分成若干個(gè)等距節(jié)點(diǎn)，把大氣從水平到垂直切割成立體網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格中每個(gè)立體方格的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向六要素的搜集，用偏微方程進(jìn)行解析解。“數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算量很大，可以毫不夸張地說(shuō)，無(wú)論性能再好，運(yùn)算能力再?gòu)?qiáng)的計(jì)算機(jī)拿過(guò)來(lái)在氣象行業(yè)應(yīng)用，過(guò)不了多久就能讓它負(fù)荷滿滿。” 國(guó)家氣象局信息中心副總工沈文海這樣形容道。
數(shù)值預(yù)報(bào)模式一方面計(jì)算復(fù)雜性高，另一方面需要計(jì)算處理的原始數(shù)據(jù)量大。首先對(duì)于原始計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，風(fēng)云三號(hào)極軌衛(wèi)星一條掃描帶繞地球縱向轉(zhuǎn)一圈的數(shù)據(jù)量就有3G左右，極軌衛(wèi)星每天數(shù)據(jù)采集量達(dá)到100G之多。而風(fēng)云一號(hào)、二號(hào)靜止衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量每天約有10G。此外雷達(dá)預(yù)報(bào)中，每個(gè)雷達(dá)每天的數(shù)據(jù)量都在5G左右，一年的數(shù)據(jù)增量在 100-200TB之間。如此大的數(shù)據(jù)量都需要借助高性能計(jì)算實(shí)時(shí)分析。
其次，氣象行業(yè)計(jì)算復(fù)雜性高、計(jì)算量大，多年來(lái)已成為高性能計(jì)算應(yīng)用的主要用戶。例如：對(duì)于氣候的評(píng)估，用若干個(gè)模式來(lái)評(píng)估青藏高原未來(lái)五十年至一百年以后的氣候狀況，以了解未來(lái)青藏高原的溫度是否升高，凍土層是否會(huì)融化。“這些都需要我們對(duì)以往所有該地區(qū)氣候資料的搜集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立模型，并最終作出評(píng)估，確實(shí)離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算。”沈文海解釋道。
同樣，甘肅省氣象局面對(duì)當(dāng)?shù)匾恍﹨^(qū)域樹(shù)木干枯、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)造成干旱的根本原因是雪山融水的減少。由于氣候變暖，山上積雪量減少，雪山上的融水減少，造成積水滲透到地下水中量減少，地下水會(huì)以某種形式轉(zhuǎn)變成泉水，再由泉水匯集成河流，由于最終水源積雪融水的減少，使得這些區(qū)域變得干旱。
“現(xiàn)在對(duì)于氣候模式數(shù)值預(yù)報(bào)正在發(fā)展中，不同模式每種模式都需要計(jì)算，即便同一模式下，由于觀測(cè)密度不同計(jì)算量也不一樣。” 沈文海講道。例如：同一種模式下1度×1度是一種算法，0.5度×0.5度又是一種算法，而且每縮小一倍，計(jì)算量增加4倍。這僅僅是水平切割，再加上垂直劃分，計(jì)算量以數(shù)量級(jí)的規(guī)模增加。因?yàn)閷?duì)于整個(gè)大氣網(wǎng)格劃分越密，監(jiān)測(cè)越細(xì)致，對(duì)于某一地區(qū)災(zāi)害性天氣的預(yù)測(cè)就越準(zhǔn)確。
此外，除了借助高性能計(jì)算對(duì)氣候做長(zhǎng)期跟蹤以外，還對(duì)某地區(qū)短時(shí)間內(nèi)的天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如：冰雹這類災(zāi)害性天氣可以對(duì)積云密度的分析，該地區(qū)空氣對(duì)流的強(qiáng)度的計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)。
同樣在科研領(lǐng)域中，南京大學(xué)較早將高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用在大氣科學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)、以及物理、化學(xué)領(lǐng)域的研究。“從國(guó)內(nèi)外最近這十多年的發(fā)展來(lái)看，計(jì)算科學(xué)在科學(xué)研究當(dāng)中所起的作用越來(lái)越大，除了流體動(dòng)力學(xué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，生命科學(xué)和材料科學(xué)是兩個(gè)發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。” 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院、江蘇省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算專業(yè)委員會(huì)主任委員周會(huì)群教授談到。
“高性能計(jì)算還在改變著一些傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的面貌。對(duì)于地球科學(xué)，過(guò)去人們的印像是，拿著榔頭到野外去敲敲石頭，拿顯微鏡看看。而現(xiàn)在我們可以用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)分析地球內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。” 就高性能計(jì)算對(duì)科學(xué)研究的影響，周會(huì)群教授這樣說(shuō)到。
同樣在物理化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于一些功能性的材料添加某種物質(zhì)后，它的物理性質(zhì)：力、熱、聲、光、電、磁性質(zhì)是否發(fā)生奇異的改變，這些都可以借助通過(guò)計(jì)算得出。再比如說(shuō)生命的奧秘——基因序列的測(cè)定，蛋白質(zhì)自組裝機(jī)制的探索，如何能夠最有效地、最節(jié)省成本地開(kāi)發(fā)一種新藥？這些都離不開(kāi)高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。
對(duì)于能源勘探行業(yè)，更是高性能計(jì)算應(yīng)用的傳統(tǒng)行業(yè)。“我們通過(guò)人工爆破，在地面部置檢波器，當(dāng)爆炸聲傳到地下后遇到不同物質(zhì)界面會(huì)反射回來(lái)，我們通過(guò)搜集反射波，并利用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，了解地質(zhì)構(gòu)造。” 中海油能源股份有限公司采油工程研究院朱曉欣談到。借助高性能計(jì)算及處理大量石油勘探數(shù)據(jù)，對(duì)盆地目標(biāo)造影，了解地下資源分布狀況。
不管是天氣預(yù)報(bào)還是能源勘探，對(duì)于任何數(shù)據(jù)的分析都離不開(kāi)高性能計(jì)算，而現(xiàn)今高性能計(jì)算正在從這些傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域走向更廣的商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中。#p#page_title#e#
解決 SOLUTION
目前國(guó)家氣象局是國(guó)內(nèi)比較大的計(jì)算中心之一，其中在04年引進(jìn)美國(guó)IBM Cluster1600集群式計(jì)算機(jī)，峰值處理能力達(dá)到21萬(wàn)億次，持續(xù)處理能力在7萬(wàn)億次，是目前國(guó)家氣象局最大的高性能計(jì)算機(jī)，擁有3000多個(gè)CPU，100多個(gè)點(diǎn)。
在數(shù)值預(yù)報(bào)中，高性能計(jì)算機(jī)最主要的工作就是資料同化。當(dāng)搜集所有資料后，把信息標(biāo)準(zhǔn)化，在計(jì)算上分為邊界場(chǎng)和初始場(chǎng)，相當(dāng)于把所有數(shù)據(jù)放在每個(gè)格子里進(jìn)行運(yùn)算。
“數(shù)據(jù)來(lái)了以后，我們首先把信息按照某一模式放在格點(diǎn)上，并插到相應(yīng)的要素（氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向）上，經(jīng)過(guò)不同模式的計(jì)算產(chǎn)生不同的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。”沈主任解釋道。
“但是在國(guó)際上，數(shù)值預(yù)報(bào)模式全球共享，而數(shù)值同化模式卻是保密的，中國(guó)目前與國(guó)外氣象預(yù)報(bào)水平的差異也在這里。”沈主任補(bǔ)充道。
實(shí)際運(yùn)算中，由于計(jì)算資源有限，一般是嵌套運(yùn)算。首先計(jì)算出國(guó)家級(jí)全球背景場(chǎng)預(yù)報(bào)模式，平均每6小時(shí)計(jì)算一次，時(shí)間分布一般是24：00、06：00、12：00、18：00四個(gè)時(shí)段。高性能計(jì)算機(jī)一天24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)，在每個(gè)時(shí)段執(zhí)行不同計(jì)算任務(wù)。
各省級(jí)氣象預(yù)報(bào)會(huì)在國(guó)家氣象局全球背景場(chǎng)模式預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，根據(jù)這些預(yù)報(bào)資料作為自己計(jì)算的初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)，進(jìn)行區(qū)域天氣預(yù)報(bào)計(jì)算。同時(shí)國(guó)家氣象局對(duì)于各地區(qū)氣象預(yù)報(bào)擁有終審權(quán)利，每晚天氣預(yù)報(bào)都會(huì)先報(bào)到國(guó)家氣象局經(jīng)過(guò)審核后再發(fā)布。
對(duì)于特殊天氣的預(yù)報(bào)，臨近預(yù)報(bào)模式由各地氣象局自己負(fù)責(zé)。例如北京氣象局針對(duì)奧運(yùn)期間每小時(shí)的精確預(yù)報(bào)，通過(guò)在具體區(qū)域?qū)臻g尺度更細(xì)的劃分進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算了解該地區(qū)短時(shí)間內(nèi)天氣活動(dòng)狀況。
面對(duì)不斷增長(zhǎng)的高性能計(jì)算需求，南京大學(xué)計(jì)劃在09年7月份建成高性能計(jì)算中心。“該計(jì)算中心采用IBM刀片處理器，英特爾至強(qiáng)5500系列芯片，理論計(jì)算峰值達(dá)到35萬(wàn)億次，實(shí)際計(jì)算能力估計(jì)約為27萬(wàn)億次。”周教授介紹到。該計(jì)算中心是全校共享，通過(guò)超高速網(wǎng)絡(luò)—InfiniBand，帶寬可以達(dá)到每秒 20GB，來(lái)縮短交換信息的過(guò)程。
“因?yàn)槲覀冏龈咝阅苡?jì)算的時(shí)候，都是把計(jì)算任務(wù)分布到很多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，在很多的CPU上進(jìn)行計(jì)算，每一個(gè)CPU只是去負(fù)責(zé)這個(gè)問(wèn)題其中一小部分，但是這一個(gè)小部分跟很多在其他計(jì)算機(jī)上、在其他的CPU上計(jì)算的那些部分相互之間有關(guān)聯(lián)，因此就需要交換信息的過(guò)程越短越好，加快計(jì)算速度。”周教授解釋道。
“石油勘探開(kāi)發(fā)中主要是地震資料的處理，首先地震資料存儲(chǔ)在磁帶上通過(guò)磁帶機(jī)加載到工作站上，人員對(duì)磁帶機(jī)進(jìn)行初步的分析，對(duì)初期資料進(jìn)行歸納整理然后傳到服務(wù)器上，服務(wù)器進(jìn)行整體分析運(yùn)算，最終的處理結(jié)果返回到單機(jī)上。”朱曉欣談到。目前中海油能源股份有限公司采油工程研究院高性能計(jì)算中心采用集群式計(jì)算機(jī)，其中最大的計(jì)算機(jī)共有96個(gè)CPU，并且整合在一個(gè)機(jī)柜，支持多線程計(jì)算及內(nèi)存共享，根據(jù)計(jì)算量大小自動(dòng)調(diào)控CPU。
實(shí)際計(jì)算中，數(shù)據(jù)采集上來(lái)存儲(chǔ)在磁帶庫(kù)中，經(jīng)過(guò)前期處理后建模，經(jīng)過(guò)服務(wù)器具體運(yùn)算，同樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)計(jì)算，最終形成地質(zhì)剖面圖。除了以上傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用高性能計(jì)算以外，在汽車安全模擬分析，對(duì)一些整車正面和側(cè)面及乘員安全性分析；疲勞耐久性分析，汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬；空調(diào)系統(tǒng)CFD分析與優(yōu)化等方面高性能計(jì)算也發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)對(duì)于汽車鋼板的性能進(jìn)行模擬計(jì)算，鋼液流動(dòng)模擬計(jì)算機(jī)并行程序開(kāi)發(fā)，以及高爐結(jié)構(gòu)性能全三維分析等等。#p#page_title#e#
此外大家熟知的3D動(dòng)畫中也有高性能計(jì)算的身影。比如說(shuō)渲染農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用，渲染農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)群，用于渲染這種CGI的圖像，主要用于電影或者電視廣告當(dāng)中一些現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景無(wú)法拍攝，只能通過(guò)虛擬或者仿真的方式，達(dá)到一個(gè)影視的特效結(jié)果。
在這里是一個(gè)計(jì)算量隨著視頻的分辨率還有它的變化的趨勢(shì)圖。最低是標(biāo)準(zhǔn)清晰度的視頻，我們?nèi)粘？吹降碾娨暤臉?biāo)清的分辨率的圖片，一個(gè)15秒的廣告，一臺(tái)主流的兩路雙核的服務(wù)器，就需要31小時(shí)進(jìn)行渲染。若是高清視頻，或者電影要求的畫面質(zhì)量，在影院放映的高分辨率視頻的話，一部1.5小時(shí)的電影一臺(tái)服務(wù)器需要7500天才能渲染完畢。由此可見(jiàn)計(jì)算量是非常大的。
挑戰(zhàn) CHALLENGE
高性能計(jì)算在在隨著性能不斷提升的同時(shí)，其能耗問(wèn)題日益受到關(guān)注。此前國(guó)家氣象局一臺(tái)IBM Cluster1600每天的電費(fèi)就在8萬(wàn)元人民幣左右，一年下來(lái)僅電費(fèi)就要花費(fèi)1000多萬(wàn)元。
在保證性能的同時(shí)，南京大學(xué)新建的高性能計(jì)算中心充分考慮到能耗問(wèn)題，從最初機(jī)房設(shè)計(jì)開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)綠色高性能計(jì)算中心。“傳統(tǒng)的IDC的中服務(wù)器前面吸進(jìn)冷空氣后面排除熱氣，冷熱空氣沒(méi)有間隔，混合在一起通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)抽走。對(duì)于CPU利用率很低的一般企業(yè)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，這樣的設(shè)計(jì)并無(wú)大礙，但是對(duì)于高性能計(jì)算中心來(lái)說(shuō)，一旦計(jì)算任務(wù)上去，CPU均為滿負(fù)荷，發(fā)熱量劇增，能耗驚人。”周教授強(qiáng)調(diào)到。
南京大學(xué)從最初設(shè)計(jì)就分成冷熱走道，冷熱空氣不混合，通過(guò)機(jī)房物理設(shè)計(jì)減少溫控的能耗。“一般我們的機(jī)房空調(diào)溫度都在18度左右，我參觀過(guò)日本東京工業(yè)大學(xué)的高性能計(jì)算中心，那里空調(diào)溫度居然在 27度。對(duì)于大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，溫度降低一度都能節(jié)省大量能源。”周教授談到。
如果說(shuō)南京大學(xué)面臨的是能耗問(wèn)題，那么對(duì)于國(guó)家氣象局來(lái)說(shuō)計(jì)算資源的緊缺是一個(gè)長(zhǎng)期困擾的問(wèn)題。“歐洲氣象中心天氣預(yù)報(bào)模式全球公認(rèn)最好，在那里業(yè)務(wù)運(yùn)算中的70%計(jì)算資源用于同化資料處理，30%用于數(shù)值預(yù)報(bào)，而我們正好相反。他們平常的計(jì)算資源60%以上用于科研，只有40%用于具體業(yè)務(wù)運(yùn)算，而我們對(duì)于僅有的計(jì)算資源首先保證業(yè)務(wù)運(yùn)算其次才是科研運(yùn)算。”沈文海談到。
由于計(jì)算資源的緊張，嚴(yán)重制約了中國(guó)氣象行業(yè)的發(fā)展。由于氣象行業(yè)體制的問(wèn)題，對(duì)項(xiàng)目審批管理方式的問(wèn)題，造成重視購(gòu)買計(jì)算設(shè)備忽視購(gòu)買計(jì)算資源。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為計(jì)算資源是一個(gè)無(wú)形產(chǎn)品，不認(rèn)同購(gòu)買計(jì)算資源的形式。
同時(shí)由于高性能計(jì)算硬件發(fā)展速度較快，反而軟件的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件速度，又由于軟件設(shè)計(jì)本身的好壞直接影響硬件計(jì)算能力，使得石油勘探行業(yè)中過(guò)于依賴國(guó)外軟件，缺少自己軟件開(kāi)發(fā)能力。造成硬件計(jì)算資源由于軟件的阻礙而不能發(fā)揮出應(yīng)有的計(jì)算能力，一定程度上造成計(jì)算資源的浪費(fèi)
根據(jù)天氣動(dòng)力學(xué)原理，用十幾個(gè)偏微方程組來(lái)描述大氣的物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用數(shù)值解將空間分成若干個(gè)等距節(jié)點(diǎn)，把大氣從水平到垂直切割成立體網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格中每個(gè)立體方格的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向六要素的搜集，用偏微方程進(jìn)行解析解。“數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算量很大，可以毫不夸張地說(shuō)，無(wú)論性能再好，運(yùn)算能力再?gòu)?qiáng)的計(jì)算機(jī)拿過(guò)來(lái)在氣象行業(yè)應(yīng)用，過(guò)不了多久就能讓它負(fù)荷滿滿。” 國(guó)家氣象局信息中心副總工沈文海這樣形容道。
數(shù)值預(yù)報(bào)模式一方面計(jì)算復(fù)雜性高，另一方面需要計(jì)算處理的原始數(shù)據(jù)量大。首先對(duì)于原始計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，風(fēng)云三號(hào)極軌衛(wèi)星一條掃描帶繞地球縱向轉(zhuǎn)一圈的數(shù)據(jù)量就有3G左右，極軌衛(wèi)星每天數(shù)據(jù)采集量達(dá)到100G之多。而風(fēng)云一號(hào)、二號(hào)靜止衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量每天約有10G。此外雷達(dá)預(yù)報(bào)中，每個(gè)雷達(dá)每天的數(shù)據(jù)量都在5G左右，一年的數(shù)據(jù)增量在 100-200TB之間。如此大的數(shù)據(jù)量都需要借助高性能計(jì)算實(shí)時(shí)分析。
其次，氣象行業(yè)計(jì)算復(fù)雜性高、計(jì)算量大，多年來(lái)已成為高性能計(jì)算應(yīng)用的主要用戶。例如：對(duì)于氣候的評(píng)估，用若干個(gè)模式來(lái)評(píng)估青藏高原未來(lái)五十年至一百年以后的氣候狀況，以了解未來(lái)青藏高原的溫度是否升高，凍土層是否會(huì)融化。“這些都需要我們對(duì)以往所有該地區(qū)氣候資料的搜集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立模型，并最終作出評(píng)估，確實(shí)離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算。”沈文海解釋道。
同樣，甘肅省氣象局面對(duì)當(dāng)?shù)匾恍﹨^(qū)域樹(shù)木干枯、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)造成干旱的根本原因是雪山融水的減少。由于氣候變暖，山上積雪量減少，雪山上的融水減少，造成積水滲透到地下水中量減少，地下水會(huì)以某種形式轉(zhuǎn)變成泉水，再由泉水匯集成河流，由于最終水源積雪融水的減少，使得這些區(qū)域變得干旱。
“現(xiàn)在對(duì)于氣候模式數(shù)值預(yù)報(bào)正在發(fā)展中，不同模式每種模式都需要計(jì)算，即便同一模式下，由于觀測(cè)密度不同計(jì)算量也不一樣。” 沈文海講道。例如：同一種模式下1度×1度是一種算法，0.5度×0.5度又是一種算法，而且每縮小一倍，計(jì)算量增加4倍。這僅僅是水平切割，再加上垂直劃分，計(jì)算量以數(shù)量級(jí)的規(guī)模增加。因?yàn)閷?duì)于整個(gè)大氣網(wǎng)格劃分越密，監(jiān)測(cè)越細(xì)致，對(duì)于某一地區(qū)災(zāi)害性天氣的預(yù)測(cè)就越準(zhǔn)確。
此外，除了借助高性能計(jì)算對(duì)氣候做長(zhǎng)期跟蹤以外，還對(duì)某地區(qū)短時(shí)間內(nèi)的天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如：冰雹這類災(zāi)害性天氣可以對(duì)積云密度的分析，該地區(qū)空氣對(duì)流的強(qiáng)度的計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)。
同樣在科研領(lǐng)域中，南京大學(xué)較早將高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用在大氣科學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)、以及物理、化學(xué)領(lǐng)域的研究。“從國(guó)內(nèi)外最近這十多年的發(fā)展來(lái)看，計(jì)算科學(xué)在科學(xué)研究當(dāng)中所起的作用越來(lái)越大，除了流體動(dòng)力學(xué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，生命科學(xué)和材料科學(xué)是兩個(gè)發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。” 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院、江蘇省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算專業(yè)委員會(huì)主任委員周會(huì)群教授談到。
“高性能計(jì)算還在改變著一些傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的面貌。對(duì)于地球科學(xué)，過(guò)去人們的印像是，拿著榔頭到野外去敲敲石頭，拿顯微鏡看看。而現(xiàn)在我們可以用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)分析地球內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。” 就高性能計(jì)算對(duì)科學(xué)研究的影響，周會(huì)群教授這樣說(shuō)到。
同樣在物理化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于一些功能性的材料添加某種物質(zhì)后，它的物理性質(zhì)：力、熱、聲、光、電、磁性質(zhì)是否發(fā)生奇異的改變，這些都可以借助通過(guò)計(jì)算得出。再比如說(shuō)生命的奧秘——基因序列的測(cè)定，蛋白質(zhì)自組裝機(jī)制的探索，如何能夠最有效地、最節(jié)省成本地開(kāi)發(fā)一種新藥？這些都離不開(kāi)高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。
對(duì)于能源勘探行業(yè)，更是高性能計(jì)算應(yīng)用的傳統(tǒng)行業(yè)。“我們通過(guò)人工爆破，在地面部置檢波器，當(dāng)爆炸聲傳到地下后遇到不同物質(zhì)界面會(huì)反射回來(lái)，我們通過(guò)搜集反射波，并利用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，了解地質(zhì)構(gòu)造。” 中海油能源股份有限公司采油工程研究院朱曉欣談到。借助高性能計(jì)算及處理大量石油勘探數(shù)據(jù)，對(duì)盆地目標(biāo)造影，了解地下資源分布狀況。
不管是天氣預(yù)報(bào)還是能源勘探，對(duì)于任何數(shù)據(jù)的分析都離不開(kāi)高性能計(jì)算，而現(xiàn)今高性能計(jì)算正在從這些傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域走向更廣的商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中。#p#page_title#e#
解決 SOLUTION
目前國(guó)家氣象局是國(guó)內(nèi)比較大的計(jì)算中心之一，其中在04年引進(jìn)美國(guó)IBM Cluster1600集群式計(jì)算機(jī)，峰值處理能力達(dá)到21萬(wàn)億次，持續(xù)處理能力在7萬(wàn)億次，是目前國(guó)家氣象局最大的高性能計(jì)算機(jī)，擁有3000多個(gè)CPU，100多個(gè)點(diǎn)。
在數(shù)值預(yù)報(bào)中，高性能計(jì)算機(jī)最主要的工作就是資料同化。當(dāng)搜集所有資料后，把信息標(biāo)準(zhǔn)化，在計(jì)算上分為邊界場(chǎng)和初始場(chǎng)，相當(dāng)于把所有數(shù)據(jù)放在每個(gè)格子里進(jìn)行運(yùn)算。
“數(shù)據(jù)來(lái)了以后，我們首先把信息按照某一模式放在格點(diǎn)上，并插到相應(yīng)的要素（氣壓、溫度、濕度、風(fēng)的尾向、靜止方向以及垂直方向）上，經(jīng)過(guò)不同模式的計(jì)算產(chǎn)生不同的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。”沈主任解釋道。
“但是在國(guó)際上，數(shù)值預(yù)報(bào)模式全球共享，而數(shù)值同化模式卻是保密的，中國(guó)目前與國(guó)外氣象預(yù)報(bào)水平的差異也在這里。”沈主任補(bǔ)充道。
實(shí)際運(yùn)算中，由于計(jì)算資源有限，一般是嵌套運(yùn)算。首先計(jì)算出國(guó)家級(jí)全球背景場(chǎng)預(yù)報(bào)模式，平均每6小時(shí)計(jì)算一次，時(shí)間分布一般是24：00、06：00、12：00、18：00四個(gè)時(shí)段。高性能計(jì)算機(jī)一天24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)，在每個(gè)時(shí)段執(zhí)行不同計(jì)算任務(wù)。
各省級(jí)氣象預(yù)報(bào)會(huì)在國(guó)家氣象局全球背景場(chǎng)模式預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，根據(jù)這些預(yù)報(bào)資料作為自己計(jì)算的初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)，進(jìn)行區(qū)域天氣預(yù)報(bào)計(jì)算。同時(shí)國(guó)家氣象局對(duì)于各地區(qū)氣象預(yù)報(bào)擁有終審權(quán)利，每晚天氣預(yù)報(bào)都會(huì)先報(bào)到國(guó)家氣象局經(jīng)過(guò)審核后再發(fā)布。
對(duì)于特殊天氣的預(yù)報(bào)，臨近預(yù)報(bào)模式由各地氣象局自己負(fù)責(zé)。例如北京氣象局針對(duì)奧運(yùn)期間每小時(shí)的精確預(yù)報(bào)，通過(guò)在具體區(qū)域?qū)臻g尺度更細(xì)的劃分進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算了解該地區(qū)短時(shí)間內(nèi)天氣活動(dòng)狀況。
面對(duì)不斷增長(zhǎng)的高性能計(jì)算需求，南京大學(xué)計(jì)劃在09年7月份建成高性能計(jì)算中心。“該計(jì)算中心采用IBM刀片處理器，英特爾至強(qiáng)5500系列芯片，理論計(jì)算峰值達(dá)到35萬(wàn)億次，實(shí)際計(jì)算能力估計(jì)約為27萬(wàn)億次。”周教授介紹到。該計(jì)算中心是全校共享，通過(guò)超高速網(wǎng)絡(luò)—InfiniBand，帶寬可以達(dá)到每秒 20GB，來(lái)縮短交換信息的過(guò)程。
“因?yàn)槲覀冏龈咝阅苡?jì)算的時(shí)候，都是把計(jì)算任務(wù)分布到很多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，在很多的CPU上進(jìn)行計(jì)算，每一個(gè)CPU只是去負(fù)責(zé)這個(gè)問(wèn)題其中一小部分，但是這一個(gè)小部分跟很多在其他計(jì)算機(jī)上、在其他的CPU上計(jì)算的那些部分相互之間有關(guān)聯(lián)，因此就需要交換信息的過(guò)程越短越好，加快計(jì)算速度。”周教授解釋道。
“石油勘探開(kāi)發(fā)中主要是地震資料的處理，首先地震資料存儲(chǔ)在磁帶上通過(guò)磁帶機(jī)加載到工作站上，人員對(duì)磁帶機(jī)進(jìn)行初步的分析，對(duì)初期資料進(jìn)行歸納整理然后傳到服務(wù)器上，服務(wù)器進(jìn)行整體分析運(yùn)算，最終的處理結(jié)果返回到單機(jī)上。”朱曉欣談到。目前中海油能源股份有限公司采油工程研究院高性能計(jì)算中心采用集群式計(jì)算機(jī)，其中最大的計(jì)算機(jī)共有96個(gè)CPU，并且整合在一個(gè)機(jī)柜，支持多線程計(jì)算及內(nèi)存共享，根據(jù)計(jì)算量大小自動(dòng)調(diào)控CPU。
實(shí)際計(jì)算中，數(shù)據(jù)采集上來(lái)存儲(chǔ)在磁帶庫(kù)中，經(jīng)過(guò)前期處理后建模，經(jīng)過(guò)服務(wù)器具體運(yùn)算，同樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)計(jì)算，最終形成地質(zhì)剖面圖。除了以上傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用高性能計(jì)算以外，在汽車安全模擬分析，對(duì)一些整車正面和側(cè)面及乘員安全性分析；疲勞耐久性分析，汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬；空調(diào)系統(tǒng)CFD分析與優(yōu)化等方面高性能計(jì)算也發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)對(duì)于汽車鋼板的性能進(jìn)行模擬計(jì)算，鋼液流動(dòng)模擬計(jì)算機(jī)并行程序開(kāi)發(fā)，以及高爐結(jié)構(gòu)性能全三維分析等等。#p#page_title#e#
此外大家熟知的3D動(dòng)畫中也有高性能計(jì)算的身影。比如說(shuō)渲染農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用，渲染農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)群，用于渲染這種CGI的圖像，主要用于電影或者電視廣告當(dāng)中一些現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景無(wú)法拍攝，只能通過(guò)虛擬或者仿真的方式，達(dá)到一個(gè)影視的特效結(jié)果。
在這里是一個(gè)計(jì)算量隨著視頻的分辨率還有它的變化的趨勢(shì)圖。最低是標(biāo)準(zhǔn)清晰度的視頻，我們?nèi)粘？吹降碾娨暤臉?biāo)清的分辨率的圖片，一個(gè)15秒的廣告，一臺(tái)主流的兩路雙核的服務(wù)器，就需要31小時(shí)進(jìn)行渲染。若是高清視頻，或者電影要求的畫面質(zhì)量，在影院放映的高分辨率視頻的話，一部1.5小時(shí)的電影一臺(tái)服務(wù)器需要7500天才能渲染完畢。由此可見(jiàn)計(jì)算量是非常大的。
挑戰(zhàn) CHALLENGE
高性能計(jì)算在在隨著性能不斷提升的同時(shí)，其能耗問(wèn)題日益受到關(guān)注。此前國(guó)家氣象局一臺(tái)IBM Cluster1600每天的電費(fèi)就在8萬(wàn)元人民幣左右，一年下來(lái)僅電費(fèi)就要花費(fèi)1000多萬(wàn)元。
在保證性能的同時(shí)，南京大學(xué)新建的高性能計(jì)算中心充分考慮到能耗問(wèn)題，從最初機(jī)房設(shè)計(jì)開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)綠色高性能計(jì)算中心。“傳統(tǒng)的IDC的中服務(wù)器前面吸進(jìn)冷空氣后面排除熱氣，冷熱空氣沒(méi)有間隔，混合在一起通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)抽走。對(duì)于CPU利用率很低的一般企業(yè)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，這樣的設(shè)計(jì)并無(wú)大礙，但是對(duì)于高性能計(jì)算中心來(lái)說(shuō)，一旦計(jì)算任務(wù)上去，CPU均為滿負(fù)荷，發(fā)熱量劇增，能耗驚人。”周教授強(qiáng)調(diào)到。
南京大學(xué)從最初設(shè)計(jì)就分成冷熱走道，冷熱空氣不混合，通過(guò)機(jī)房物理設(shè)計(jì)減少溫控的能耗。“一般我們的機(jī)房空調(diào)溫度都在18度左右，我參觀過(guò)日本東京工業(yè)大學(xué)的高性能計(jì)算中心，那里空調(diào)溫度居然在 27度。對(duì)于大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，溫度降低一度都能節(jié)省大量能源。”周教授談到。
如果說(shuō)南京大學(xué)面臨的是能耗問(wèn)題，那么對(duì)于國(guó)家氣象局來(lái)說(shuō)計(jì)算資源的緊缺是一個(gè)長(zhǎng)期困擾的問(wèn)題。“歐洲氣象中心天氣預(yù)報(bào)模式全球公認(rèn)最好，在那里業(yè)務(wù)運(yùn)算中的70%計(jì)算資源用于同化資料處理，30%用于數(shù)值預(yù)報(bào)，而我們正好相反。他們平常的計(jì)算資源60%以上用于科研，只有40%用于具體業(yè)務(wù)運(yùn)算，而我們對(duì)于僅有的計(jì)算資源首先保證業(yè)務(wù)運(yùn)算其次才是科研運(yùn)算。”沈文海談到。
由于計(jì)算資源的緊張，嚴(yán)重制約了中國(guó)氣象行業(yè)的發(fā)展。由于氣象行業(yè)體制的問(wèn)題，對(duì)項(xiàng)目審批管理方式的問(wèn)題，造成重視購(gòu)買計(jì)算設(shè)備忽視購(gòu)買計(jì)算資源。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為計(jì)算資源是一個(gè)無(wú)形產(chǎn)品，不認(rèn)同購(gòu)買計(jì)算資源的形式。
同時(shí)由于高性能計(jì)算硬件發(fā)展速度較快，反而軟件的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件速度，又由于軟件設(shè)計(jì)本身的好壞直接影響硬件計(jì)算能力，使得石油勘探行業(yè)中過(guò)于依賴國(guó)外軟件，缺少自己軟件開(kāi)發(fā)能力。造成硬件計(jì)算資源由于軟件的阻礙而不能發(fā)揮出應(yīng)有的計(jì)算能力，一定程度上造成計(jì)算資源的浪費(fèi)
