甘肃省计算中心面向网格和的机群整体解决方案-阿里云资讯网
甘肃省计算中心面向网格和的机群整体解决方案
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作者：guobaobaobaby
　　“《孙子兵法》云，‘夫未战而庙算胜者，得算多也；未战而庙算不胜者，得算少也’。市场如战场，我省的经济建设、科学研究离不开‘多算’。而我省现在有了孙武无法想象的‘多算’设备——每秒钟运算４０００亿次的大型计算机。”近日，甘肃计算中心主任胡铁钧面对媒体发出了如上感慨。
　　分析：跨行业高性能计算网格拓展甘肃省计算中心是直属于甘肃省科技厅的科研事业单位，是全省计算机技术应用、推广和服务的专业化研究与开发机构。2005年为了进一步加强高性能方面的实力，携手曙光建立了甘肃高性能计算中心，旨在发展甘肃省高性能计算，带动甘肃省计算技术、信息技术和相关产业向更高水平发展，解决甘肃省国民经济与产业发展、社会和科学进步、国防和国家安全等一系列挑战性问题。
　　甘肃计算中心主任胡铁钧表示：“这几个‘花小钱’的雄心勃勃的行动，只是我省计算能力和运行方式的一小步结构性变化，带来的却是我省科研基础能力的一大进步：以前我省的科研人员挤出宝贵时间，花费科研资金，跑到外地去排队进行大型运算；今后他们只需坐在办公室里，轻点鼠标，向甘肃省计算中心的‘窗口’发个申请，提交运算任务，省计算中心就把任务分配到闲着的计算机上运算，不长时间后，运算结果就会出现在科研人员的电脑上。
　　甘肃省超级计算中心致力于建成一个开放可共享的高端计算环境，为政府各机构、企事业、大中专院校、科研单位提供超级计算能力、海量信息处理、超大型数据库管理、尖端技术科研开发的服务，将有限的计算延展为无限的可能。最终形成应用环境、用户培训、科普宣传、应用开发、科学研究、人才培养等功能齐全、布局合理的一流信息化平台环境和产业基地。
　　在建设周期方面，初期希望在甘肃省计算中心建设管理结点的集群系统，准备购置主要设备、软件，构建应用环境，实现计算能力，高性能计算机采用中国电信宽带网和中国教育网传输数据。同时与兰州大学构建网格试验床。二期建设将连接兰州大学、兰州交通大学、兰州理工大学、中科院资源环境科学信息中心等大专院校、科研院所的高性能计算系统，完成高速网络接入光纤主干网；实现高性能计算资源的连接和共享，形成一个具有强大管理能力和计算能力的平台。三期建设将逐步完善网格系统，吸纳有一定计算能力的科研单位，提高计算能力，实现高性能计算应用，研究网格系统向其他领域的应用拓展、应用。
　　解决方案：网络经过对需求的分析，可以确定甘肃省高性能计算中心（网格系统）的建立是利用网格技术实现大规模科学数据集的协作虚拟化，实现高要求数据分析所进行的分布式计算（共享计算能力和存储空间）。网格将在科学计算、信息集成领域一展身手，提高甘肃省的科学计算能力，是典型的高性能计算应用，需要大规模系统。
　　对应于甘肃省高性能计算中心的实际需要，曙光公司在本次项目中采用了基于机群架构的设计思想，采用最新的超级计算机曙光天潮，该款超级服务器是一台成熟的产品，采用大规模机群体系结构，其中采用了许多创新技术，在平衡创新和可靠性上采用了冗余设计方法，每个创新部件都有成熟的产品部件与之对应，使高性能计算机的可扩展性得到很大提高，同时保证应用饱和性能的。
　　曙光大规模机群系统的规模为22个计算节点，每个计算节点2颗AMD Opteron 64bit处理器，总共44颗处理器，1个I/O节点、1个管理登录节点，均为双AMD Opteron处理器节点。在应用性能方面提高&系统应用饱和性能的方法包括，提供轻核心操作系统，单用户通信软件、并行I/O库，支持多种操作系统；而在系统动态重构方面可提高系统的管理能力，提供多种使用模式，包括开发大规模KVM（Keyboard-Video-Mouse）管理网络，操作系统动态加载等。系统架构如下。
　　图：曙光体系结构
　　，虽然有了这台超级计算机，省计算中心还有着更为雄心勃勃的行动——建立近两年在国际上开始发展的网格，针对甘肃省以高能计算所为中心建立甘肃超级计算网格的设想，在此套解决方案的网络子系统设计方面，本项目为曙光4000L大规模机群系统配以3套网络，分别是高速计算数据传输网，千兆数据交换网络和管理网，分别用于并行计算时的数据交换、计算通讯以及I/O读写；用户接入、系统管理控制。高速计算网采用网络，千兆数据交换网络，两套网络可以互为备份，即千兆以太网可以作为InfiniBand网络的备份，千兆以太网可以作为千兆以太网的备份。而且本次项目中所提供的网络交换设备均在曙光机群服务器中有大量的成功应用案例，所选用的产品无论是产品质量、性能、互联、互通性都有所保证。
　　另外，曙光4000L采用数据交换网和管理网分开的方式，有效地了对数据网的负载，做到系统管理对业务网络完全没有干扰。接入管理网采用了百兆以太网，在本项目的曙光4000L机群系统中，采用了台镜，端口百兆交换机组成一个百兆以太网，各节点通过它连接成百兆的管理网队整个机群的管理、监控。而千兆计算网络主要用于机群的、登录、任务调度等系统管理员常用工作。这个网络既是用户接入、系统管理网络，也是高速数据网的备份网络。通过网捷网络的网络管理软件，网络管理员可以通过一个中央工作站控制所有网捷网络产品软件和配置的升级，极大地简化了网络分配、故障诊断和清除，从而减少安装和维护一个世界级网络基础设施的总成本。
　　在规划、建设曙光的存储系统时，曙光推荐了阵列，内部硬盘为Ultra 160接口，主机端口为2Gb FC或Ultra 160 SCSI接口标准的磁盘阵列系统，通过灵活的可配置性，提供一种强有力的，高性价比的解决方案，从而更好的控制整体成本。
　　用户评价：从性能到细节均，美妙贯穿始终
　　甘肃计算中心主任胡铁钧表示：“曙光4000是既能进行高性能计算，又能满足信息服务需要的高性能集群系统，在生物、气象、流体力学等方面均有非常出色的表现。”面对于用户的良好评价，曙光的技术人员介绍到：“该系统完成后的系统可以完成每秒４０００亿次的高能运算，相当于一秒钟内全国每个人运算３００多次，然后把所有人的运算结果加到一起。以个人电脑来打比方，一台目前的普通电脑运算３００天才能完成的任务，用这种大型计算机一天就可以完成。以旧的运算设备来做对比，以往用一个月才能处理完的核物理试验数据，现在２、３个小时就可以处理完成。”
　　与此同时，曙光的技术人员在谈及整个项目的规划时介绍到：“在建设网格方面，除省计算中心外，还将兰州大学拥有每秒运算２０００亿次能力，兰州交通大学拥有每秒１０００亿次能力，西地所拥有每秒４０００亿次能力建成一个开放可共享的高端计算环境，为政府各机构、企事业、大中专院校、科研单位提供超级计算能力、海量信息处理、超大型数据库管理、尖端技术科研开发的服务，正式运行后，这个网格可以达到每秒钟运算２万亿次的能力”。
　　另外，曙光4000L系统充分考虑了国内用户的本地化要求，管理软件界面是中文界面，同时也支持英文界面，可以在程序内直接进行切换，无需重新启动。这项功能是曙光机群管理系统的亮点之一，中文化的界面具有亲切的人机接口，充分满足了中国用户的使用习惯，对此用惯了繁琐英文界面的用户在操作的时候显得颇为兴奋。
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International英特尔推出持续运行速度达每秒万亿次芯片
发表于 10:42|
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摘要：这款被称作是Knights Corner的芯片首先在西雅图举行的SC11超级计算机大会上亮相。英特尔公司没有介绍这款处理器的所有规格参数，包括耗能或者核心的实际数量（超过50个）。但是这款处理器已经签约了一家大客户，但是交货期推迟到了明年。
英特尔公司推出了一款能够以每秒一万亿次的持续速度运行的全新芯片，这是十五年前美国政府需要花费5500万美元才能买到的超级计算机的速度。一Teraflop就是每秒进行一万亿次的计算。
这款被称作是Knights Corner的芯片首先在西雅图举行的SC11超级计算机大会上亮相。英特尔公司没有介绍这款处理器的所有规格参数，包括耗能或者核心的实际数量（超过50个）。但是这款处理器已经签约了一家大客户，但是交货期推迟到了明年。
英特尔公司技术计算总经理Rajeeb Hazara介绍了这款处理器并标识&这是一款真正的处理器&。
这款处理器的性能也很引人关注，因为它可以从&安全位置&运行LINUX工作负载。
英特尔公司没有确切说明Knights Corner处理器何时会投放市场，尽管这款处理器已经拥有了至少一位大客户-就是德克萨斯高级计算中心。这家位于奥斯丁市的计算中心将在明年开始安装系统，预计在2013年全面完工。开始阶段的运行速度为10千万亿次。
了解Knights Corner处理器性能的一种方法是通过时间来衡量。
在1997年，沙迪尔国家实验室的ASCI Red突破了每秒万亿次的大关，使用了几乎1万个奔腾处理器来实现了每秒一万亿次的计算次数。总共的研发成本为5500万美元。
在2008年，位于拉斯.奥尔莫斯国家实验室的走鹃超级计算机首次首先突破了千万亿次。即每秒的持续浮点计算能力超过了一千万亿次。
如果他们想在未来十年里实现万万亿次计算速度的话，计算机制造商必须找到能以低能耗提供计算机性能的新方法。Exascale就是千万亿次的1000倍。
全新的英特尔处理器是基于英特尔公司的MIC（多集成核心）体系结构，类似于图形处理器，是一款针对处理高并行应用软件所设计的64位协处理器。
IDC研究公司的分析师史蒂夫.康威表示&多集成核心处理器应该能更加轻松的进行编程，因为他们使用的是与英特尔X86处理器相同的指令集体系结构&。
康威认为&随着高性能计算步入万万亿时代，越来越多的系统将开发X86处理器和加速器结合的方式&。
尽管英特尔公司之前就推出过突破一万亿次计算速度的芯片，但是并没有投入生产。
英特尔公司这种处理器的主要竞争对手来自英伟达的图形处理器。公司正在研发将ARM处理器广泛应用于移动电话的方法。
橡树岭国家实验室计算科学院总监罗伯特.哈里森一直在使用多集成核心处理器的早期版本，并表示其优势在于编程。它使用的是与X86系统相同的软件和编辑器。
哈里森表示&你可以将重点放在优化而不是从头开始去适应新的环境&。
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刀片集群系统在高性能计算中的应用
高性能计算已经取得了巨大的成就，在众多关键领域有着重要的应用。而随着处理器多核技术的发展趋势，高性能并行处理技术将应用于更多的领域，变得更加普及。
作为高性能计算基础设施的核心，现代高性能计算机的发展从20世纪70年代的向量计算机开始，也已经有了30年的发展历程。先后出现了向量机、多处理器并行向量机、MPP大规模并行处理机、SMP对称多处理机、DSM分布式共享存储计算机、Constellation星群系统、Cluster集群系统、混和系统等多种主体的架构，并分别在不同的时期占据着应用的主流。
开放的Cluster集群系统具有较多的优势，已经占据了目前高性能计算机的主流位置，在TOP500中占据了80%以上的份额，在中小规模的高性能计算系统中更是占据绝对优势地位。
现代高性能计算机对计算密度、系统功耗、管理维护提出了更高的要求，这给刀片服务器的发展和应用带来了很好的机会。
曙光公司根据多年在高性能计算机领域的积累，结合市场用户的实际需要，积极倡导高性能计算机的产品和技术规范，推出了第三代刀片曙光TC2600。
基于刀片的曙光高性能集群系统，不仅具有Cluster架构的普适性优点，而且更加符合现代高性能计算机对计算密度、能耗、可靠性、易用性等方面的要求，是高性能计算的最佳平台。
曙光公司在高性能计算领域有着深厚的技术积累，不仅蕴涵在刀片的设计里，还体现在刀片集群的应用上。曙光公司各应用领域首席工程师已经完成了主要并行应用软件向刀片集群的移植和优化，取得了很好的效果，这将在应用层面上打消用户顾虑，保障用户应用的顺畅和高效。
先进的产品配合全面的应用支持，曙光高性能刀片集群系统将为用户提供最佳的应用解决方案。
1. 高性能计算的应用
1.1. 高性能计算的重要作用
20世纪后半期，全世界范围掀起第三次产业革命的浪潮，人类开始迈入后工业社会――信息社会。在信息经济时代，其先进生产力及科技发展的标志就是计算技术。在这种先进生产力中高性能计算机（超级计算机）更是具有代表性。
时至今日，计算科学（尤其是高性能计算）已经与理论研究、实验科学相并列，成为现代科学的三
大支柱之一。
三种科研手段中，理论研究为人类认识自然界、发展科技提供指导，但科学理论一般并不直接转化为实用的技术；
实验科学一方面是验证理论、发展理论的重要工具，另一方面，它是在理论的指导下发展实用技术，直接为经济发展服务；
计算科学的发展也有相当悠久的历史，只是在计算机这一强大的计算工具问世之前，计算只能利用人类的大脑和简单的工具，计算应用于科学研究有天然的局限性，限制了它作用的发挥；随着计算机技术的发展，使用科学计算这一先进的技术手段不断普及，逐渐走向成熟。科学计算可以在很大程度上代替实验科学，并能在很多情况下，完成实验科学所无法完成的研究工作。科学计算也直接服务于实用科技，并为理论的发展提供依据和机会。
在许多情况下，或者理论模型过于复杂甚至尚未建立，或者实验费用过于昂贵甚至不允许进行，此时计算模拟就成为求解问题的唯一或主要手段了。例如，全面核禁试条约签订后，为了仍需保持核威慑力量，核武器的研究转到了以实验室研究和数值模拟为主。核武器是一个精细结构的装置，核禁试后数值模拟成了唯一可能进行的全系统(虚拟)试验，通过数值模拟可以评估核武器的性能、安全性、可靠性等等。为此要求数值模拟达到高分辨、高逼真、三维、全物理和全系统的规模和能力，这样对计算机的性能要求非常高，其峰值速度就要求达到Tflops(每秒万亿次浮点运算)的规模。显然这样的高性能计算机必须是大规模的并行计算机，例如美国三大核武器研制实验室就分别向美国的各个高性能计算机厂商预定和购买峰值速度超过100Tflops的高性能并行计算机。
目前，高性能计算已广泛应用于国民经济各领域，发挥着不可替代的重要作用：
a) 基础学科中深入的知识发现，问题规模的扩大和求解精度的增加需要更高性能的计算资源。例如，计算立体力学、计算材料学、计算电磁学。
b) 多学科综合设计领域中大量多部门协同计算需要构建高性能的综合平台。例如，汽车设计、船舶设计。
c) 基于仿真的工程科学结合传统工程领域的知识技术与高性能计算，提供经济高效地设计与实践方法。例如，基于仿真的医学实践、数字城市模拟、核电、油田仿真工具、新材料开发、碰撞仿真技术、数字风洞。
d) 高性能计算提升众多行业服务、决策的时效性，提高经济效益。例如，实时天气预报、城市交通控制、视频点播服务、动漫设计、网络游戏、基于RFID的货物跟踪、智能电子商务。
e) 数据密集型应用需要高性能数据处理，以应对数据爆炸式增长带来的难题。例如，高能物理实验数据处理、遥感数据处理、商业智能、生物信息学、RFID数据挖掘、金融业分析抵押借贷、移动电话流量分析。
高性能计算发展及应用水平正日益成为一个城市乃至一个国家科研实力的重要标志之一。在高性能计算领域处于领先地位就等于占领了未来发展的制高点。世界经济强国对高性能计算无不十分重视，尤其是美国、日本和欧洲各国，为了增强其在国际上的综合竞争力，纷纷制定长期发展计划，政府投资建设与民间外包运营并举，竞相投入巨大人力、物力和财力争夺这一战略高地。
美国政府有关部门长期以来非常注重对高性能计算项目的资助，并且相继在1991年提出“高性能计算与通信（HPCC）计划”，在1995年实施 “加速战略计算创新（ASCI）计划”，在1998倡议实施“科学模拟(SSP)计划”，这些举措都是为了抢占在高性能计算领域的世界领先地位。美国政府和IBM公司合作推动了蓝色基因（Blue Gene）方案，研制出了百万亿次的超级计算机。SGI，CRAY，IBM等公司都有千万亿次超级计算机的研发计划。
日本科学技术厅基于防震减灾的需要，早在1997年就制订了一项庞大的研究计划，即利用基础科学研究、人工辅助观测和高性计算模拟来预测地球环境变迁。为此，NEC公司耗资3.5亿美元，用了五年多时间，才于2002年3月成功研制出峰值性能达到40TFlops（通称40万亿次/秒）的超高速并行计算机系统――“地球模拟器”（曾列世界第一，详见世界超级计算机500强排行榜），满足了日本政府对大气海洋科学和固体地球领域的应用需求。
欧洲在高性能计算机的应用方面也不甘示弱，如英国国家气象局，已用性能更高的由30个NEC SX-6节点组成的超级计算机，取代原有的专用Cray
T3Es超级计算机。此外，欧洲国家在材料科学、核能研究和DNA分析等计算领域，一直处于先进行列。
据统计，欧、美、日发达国家已垄断了全球高性能计算的研发和应用，分布在其它国家的高性能计算应用加起来不足4％。
1.2. 高性能计算在国内的发展
我国在高性能计算机的研发和应用方面，从无到有，从引进到自主研制，取得了令世人瞩目的成就，突破了在高性能计算领域对国外技术的依赖，出现了系列的国产高性能计算机。
曙光公司（中国科学院计算所）2004年7月研制的曙光4000A，峰值性能达到10 Tera-flops，代表中国自己研制生产的高性能计算机第一次进入TOP500 的前十名，使我国成为继美国、日本之后第三个具备研制数十万亿次规模高性能计算机系统的国家，表明我国在高性能计算方面发展到了新的高度。
在轰动世界的人类基因组测序项目实施中，华大基因中心使用中科院计算所开发的超级计算机曙光2000和曙光3000系统，提前完成了人类基因组项目1％的任务，使中国科学家有幸成为这一伟大科学成就和历史进程的重要参与力量。
“十一五”规划中，国家计划研发“百万亿次”的高性能计算机，由曙光公司承担的曙光5000即将在2008年研发成功并投入使用。
我国高性能计算的应用也取得了长足的发展，呈现出“全面普及”的发展趋势。
高性能计算是一种高端的科学研究和工业生产手段，它的成熟发展和广泛应用，对经济发展影响及贡献度的提高，表明科技和经济发展水平摆脱了低端的粗放式增长模式，进入比较高的发展层次。科学计算（高性能计算）已经成为高端科技发展的决定性力量，也必将成为未来科技的中心，成为第一生产力。在提倡“可持续发展”的二十一世纪，科技是一个国家或地区长期持续发展的不竭动力。对于传统工业而言，必须把信息化和工业化结合起来，利用信息化来改造和提高工业化水平，才能带来持续的发展。而信息化的一个重要方面就是把计算的生产力作用融入到科学研究和工业化生产之中。
在一些高性能计算的传统领域，我国高性能计算的应用已经比较成熟，包括核武器模拟，基因测序，石油探测，天气预报等应用领域，取得了一些很大的成就，比如：在轰动世界的人类基因组测序项目实施中，华大基因中心使用中科院计算所开发的超级计算机曙光2000和曙光3000系统，提前完成了人类基因组项目1％的任务，使中国科学家有幸成为这一伟大科学成就和历史进程的重要参与力量；2007年，中石油物探局利用高性能计算机进行地质探测，成功发现了南堡油田。这些都属于高性能计算的传统典型应用范围。
随着各行业信息化建设的推进，高性能计算正在快速向更多的领域拓展，包括传统的工业产业和新兴产业，高性能计算正更多地直接服务于国民经济建设。比如，上海超级计算中心提供的公共计算平台曙光4000A已成功运行证券指数计算、电力安全评估、建筑工程抗震性评估、汽车碰撞、电磁辐射、计算流体力学、基因匹配与拼接、蛋白质结构分析和材料科学等领域的20多项工业应用。主要运行了6个重要的商用应用软件，获得了很好的应用性能，大大提高了上海地区的汽车、飞机、船舶等制造行业的设计能力。
总结来说，在高性能计算的传统应用领域，我国的高性能计算已经有了成熟的应用。随着各行业对计算模拟的需求，高性能计算正更多地服务于国民经济建设，并取得了一些成绩，正在处于全面普及的初级阶段。尽管如此，与国外先进国家相比，国内无论是高性能计算应用的投入，还是重视程度方面都存在巨大的差距。
1.3. 高性能计算的加速发展和普及
在高性能计算的传统应用领域，高性能计算的地位得到了进一步的巩固，成熟度不断提高，是受益于以下几个方面的原因：
? 开放性的、高性能价格比的集群系统成为高性能计算机的主体架构；
? 众多开源的集群软件使得并行计算机的使用难度降低；
? 高性能计算已经变得成熟，有大量的成熟的应用经验可以借鉴和汲取；
? 高性能计算相关的人员队伍在快速扩大；
在相当长的时期，高性能计算的应用集中在相对有限的应用领域内，对于这个圈子以外的领域来说，高性能计算机和高性能计算是陌生的，甚至有点神秘的色彩。
而随着计算机芯片技术的发展，高性能并行计算的重要性将得到进一步的重视和体现。并行处理思想和方法将进入更多的领域，甚至是以前很少考虑高性能并行计算的应用领域，高性能计算将更加普及。
目前单核CPU的发展已经遇到了技术屏障，主要问题：
? 提高主频受到物理限制。芯片最小单元可以达到1个原子，但不可能小于1个原子；
? 单纯提高处理器主频对性能提升的作用越来越小。原因是提高主频后流水线效率可能会降低，
另外，系统其它部件（如内存）的发展滞后造成的“木桶效应”；
? 主频提高会带来芯片功耗和散热量的急剧增加；
因此转向多核是目前技术发展的主流。几乎所有的主流中高端处理器都转向多核技术。
多核技术将使HPC更加普及，刺激整个HPC领域研究的高速发展。多核是在一个芯片中放置了多个内核，相当于并行计算机，因此之前在大型机上HPC开发的经验和技术将可以有选择地移植到更多的平台上。这将促进HPC在更多领域的普及。
多核处理器在结构上提供了获得性能优势的条件，但也影响到已有的软件部署和开发人员技能。如果想在多核处理器上提升性能的话，很多应用程序必须并行化。有专家指出，当前，多内核开发的关键与多处理器系统是一样的：细致地开发多线程应用程序（使不同部分可以同时运行的程序），使线程不相互干扰。
多核处理器的发展将迫使各级IT专业人员提高自己的技能，要将并行处理概念更深入地植入到他们的计算意识中。许多企业通过培育在任何多核处理器环境中茁壮成长的各种技能，特别是编写多线程应用程序的能力，来确保自己处于有利地位。
Carnegie Mellon大学教授Babak Falsafi指出：“我们将看到一种变化，即我们从一开始就教授并行技术。这将是一种渐进式的变化，可能需要十多年时间，但是最终多内核处理技术将推动多线程和并行技术成为基本技能的变化”。
基于这种技术发展的要求，工业界，尤其是IT界需要逐渐学习掌握并应用并行处理模式，为即将到来的技术变革做好准备。
2. 高性能计算基础设施
2.1. 并行计算机
高性能并行计算机是高性能计算基础设施的核心。作为高性能计算的底层支撑平台，高性能计算机决定了上层的并行编程模型和并行应用。
在几十年的发展过程中，高性能计算机的发展是持续创新的过程，相继有多种架构的高性能计算机
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