高性能计算系列之一：概要

Posted 2020-11-21

摘要：好久没有写文章了，最近开始学习高性能计算，通过网络和书籍学习后的一点总结，留日后，查阅吧！如有不足之处还请指出，感谢。

高性能计算简称HPC(High Performance Computing)，是计算机科学的一个分支，特指当今具有超强计算能力的一类计算机。它致力于开发高性能计算机，主要采用模拟方法，解算当今超大、超高、超复杂的计算任务，研究并行算法及开发相关软件。高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后，人类认识世界改造世界的第三大科学研究方法。
高性能计算大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自 InfiniBand 或 Myrinet 的网络互连。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。
　高性能计算机在密集计算、海量数据处理等领域不可或缺，对于保障国防安全、促进科学研究及产业发展具有直接推动作用。在国防安全方面，核武器设计、核爆炸模拟、空气动力学、反×××武器系统、空间技术的开发等需要在高性能计算机上进行模拟;在科学研究方面，长期气候预测、高精度天气预报、海洋环流计算、空气与水污染的模拟分析、洪水与地震等灾害的预报等都需要进行海量数据处理和大规模计算;在产业发展方面，发动机设计、模具设计、生物新药设计、风洞试验仿真、石油地质勘探以及新材料研究等都离不开高端计算。具体来看，依赖超级计算机解决的挑战性问题包括：
　　1)交通工具制造：超级计算机可用来认识和改进汽车、飞机或轮船等交通工具的空气/流体动力结构、燃料消耗和防撞强度，并帮助减少噪音，提高乘坐者舒适度。
　　2)气候问题：借助超级计算机建模预测气候变化，防范和减轻气候变化带来的破坏。
　　3) 地球科学：地球物理学涉及大量数据处理和模拟，超级计算机在石油勘测等方面具有潜在和巨大的经济效益。
　　4)地震监测：超级计算机对地震的模拟将帮助我们探索地震预测新方法，通过预警减少地震人财物伤亡和损失的风险。
　　5) 天体物理：超级计算机模拟是天体物理学的基础，通过模拟时间进程并加速，可对天体演变进行建模和理论试验。
　　6) 生命科学：从基因学的数据密集型研究到细胞网络模拟和大规模系统建模，超级计算机将帮助寻找疾病治疗的革命性方法。
　　7)公共健康：超级计算机可对影响社会的健康和安全事件进行模拟，为可能发生的大规模污染和灾难等提出应对措施和规划。
　　8)材料科学：基于对物质和能量的密集计算模拟，或许能发现具有很高经济效益的物质和反应。
　　9)人类/组织系统研究：宏观经济学和社会动力学的研究同样需要超级计算机，比如对大量人口行为进行模拟。

不同的行业和研究领域在应用高性能计算时，对高性能计算集群有不同的系统要求。比如
在涉及天体物理或分子动力模拟计算应用场景时，需要处理大模型计算，多处理器、共享大容量内存的配置允许中间数据存储在内存中，CPU可以直接从内存中获取而不需要和硬盘交换数据，可以减少IO频度，明显提高计算速度。
在气象预报应用场景中，计算本身有时效性要求，应用的计算量大并行要求高，所以强劲的节点计算能力有利于提升整体的计算效率。
在汽车、航空、芯片制造领域借助高性能计算进行产品的CAE仿真设计，需要进行求解分析的是网格数量巨大的产品几何模型进行求解，在各节点在计算过程中有频繁的通讯需求。为了避免CPU等待数据进行计算的情况，因此需要低时延高带宽的网络来连接大量的计算节点间的数据传输，提升计算效率。
在基因分析场景，序列比对、拼接需要对海量、复杂、多变的数据进行分析计算，单次测序数据量的大幅度提升，在计算过程中会产生大量的数据，因此需要配置高带宽、大容量的共享存储，满足计算节点频繁的数据IO读写请求。