高性能计算与高性能计算机课件.ppt

1、高性能计算与高性能计算机High Performance Computing and High Performance Computers国家高性能计算中心（合肥）22022-8-7摘要国家高性能计算中心（合肥）32022-8-7目录国家高性能计算中心（合肥）42022-8-71.高性能计算的意义（1）国家高性能计算中心（合肥）52022-8-71.高性能计算的意义（2）国家高性能计算中心（合肥）62022-8-71.高性能计算的意义（3）国家高性能计算中心（合肥）72022-8-71.高性能计算的意义（4）国家高性能计算中心（合肥）82022-8-71.高性能计算的意义（5）国家高性能计算中

2、心（合肥）92022-8-71.高性能计算的意义（6）国家高性能计算中心（合肥）102022-8-71.高性能计算的意义（7）国家高性能计算中心（合肥）112022-8-71.高性能计算的意义（8）国家高性能计算中心（合肥）122022-8-71.高性能计算的意义（9）国家高性能计算中心（合肥）132022-8-71.高性能计算的意义（10）国家高性能计算中心（合肥）142022-8-71.高性能计算的意义（11）国家高性能计算中心（合肥）152022-8-71.高性能计算的意义（12）国家高性能计算中心（合肥）162022-8-71.高性能计算的意义（13）国家高性能计算中心（合肥）1720

3、22-8-71.高性能计算的意义（14）国家高性能计算中心（合肥）182022-8-71.高性能计算的意义（15）国家高性能计算中心（合肥）192022-8-71.高性能计算的意义（16）国家高性能计算中心（合肥）202022-8-71.高性能计算的意义（17）国家高性能计算中心（合肥）212022-8-71.高性能计算的意义（18）国家高性能计算中心（合肥）222022-8-71.高性能计算的意义（19）国家高性能计算中心（合肥）232022-8-72.高性能计算的发展与现状（1）国家高性能计算中心（合肥）242022-8-72.高性能计算的发展与现状（2）国家高性能计算中心（合肥）2520

4、22-8-72.高性能计算的发展与现状（3）向量机鼎盛CRAY-1，SX-3国家高性能计算中心（合肥）262022-8-72.高性能计算的发展与现状（4）国家高性能计算中心（合肥）272022-8-72.高性能计算的发展与现状（5）国家高性能计算中心（合肥）282022-8-72.高性能计算的发展与现状（6）CPUMemoryI/O Channel.CPUMemoryI/O ChannelCPUMemoryI/O ChannelCPUMemoryI/O ChannelCPUMemoryI/O ChannelSystem Area Network&Storage Area Network国家高性

5、能计算中心（合肥）292022-8-72.高性能计算的发展与现状（7）国家高性能计算中心（合肥）302022-8-72.高性能计算的发展与现状（8）国家高性能计算中心（合肥）312022-8-72.高性能计算的发展与现状（9）国家高性能计算中心（合肥）322022-8-72.高性能计算的发展与现状（10）国家高性能计算中心（合肥）332022-8-72.高性能计算的发展与现状（11）国家高性能计算中心（合肥）342022-8-72.高性能计算的发展与现状（12）国家高性能计算中心（合肥）352022-8-72.高性能计算的发展与现状（13）国家高性能计算中心（合肥）362022-8-72.高性

6、能计算的发展与现状（14）国家高性能计算中心（合肥）372022-8-72.高性能计算的发展与现状（15）国家高性能计算中心（合肥）382022-8-72.高性能计算的发展与现状（16）采用专门的System-on-a-chip技术减少功耗、体积、复杂度和设计难度实现低延迟、高带宽存储系统MPP结构可扩展到 100k 处理器国家高性能计算中心（合肥）392022-8-72.高性能计算的发展与现状（17）BlueGene/L Compute ASIC国家高性能计算中心（合肥）402022-8-72.高性能计算的发展与现状（18）国家高性能计算中心（合肥）412022-8-72.高性能计算的发展与

7、现状（19）国家高性能计算中心（合肥）422022-8-72.高性能计算的发展与现状（20）国家高性能计算中心（合肥）432022-8-72.高性能计算的发展与现状（21）国家高性能计算中心（合肥）442022-8-72.高性能计算的发展与现状（22）国家高性能计算中心（合肥）452022-8-72.高性能计算的发展与现状（23）国家高性能计算中心（合肥）462022-8-72.高性能计算的发展与现状（24）国家高性能计算中心（合肥）472022-8-72.高性能计算的发展与现状（25）国家高性能计算中心（合肥）482022-8-72.高性能计算的发展与现状（26）Proc60%/yr.(2X

8、/1.5yr)DRAM9%/yr.(2X/10 yrs)11010010001985 19861988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005DRAMCPU1987Processor-MemoryPerformance Gap:(grows 50%/year)PerformanceTime“Moores Law”国家高性能计算中心（合肥）492022-8-72.高性能计算的发展与现状（27）国家高性能计算中心（合肥）502022-8-72.高性能计算的发展与现状（2

9、8）国家高性能计算中心（合肥）512022-8-72.高性能计算的发展与现状（29）“Hiding in Plain Sight,Google Seeks More Power”,by John Markoff,June 14,2006New Google Plant in The Dulles,Oregon,from NYT,June 14,2006Google 策略策略在靠近河边的平在靠近河边的平原上建立机房原上建立机房水力发电水力发电全世界共有全世界共有 500,000台服务器台服务器国家高性能计算中心（合肥）522022-8-73.高性能计算的典型应用（1）国家高性能计算中心（合肥）5

10、32022-8-73.高性能计算的典型应用（2）“E3”报告报告国家高性能计算中心（合肥）542022-8-73.高性能计算的典型应用（3）国家高性能计算中心（合肥）552022-8-73.高性能计算的典型应用（4）国家高性能计算中心（合肥）562022-8-73.高性能计算的典型应用（5）国家高性能计算中心（合肥）572022-8-73.高性能计算的典型应用（6）国家高性能计算中心（合肥）582022-8-73.高性能计算的典型应用（7）国家高性能计算中心（合肥）592022-8-73.高性能计算的典型应用（8）国家高性能计算中心（合肥）602022-8-73.高性能计算的典型应用（9）国家

11、高性能计算中心（合肥）612022-8-73.高性能计算的典型应用（10）国家高性能计算中心（合肥）622022-8-73.高性能计算的典型应用（11）国家高性能计算中心（合肥）632022-8-73.高性能计算的典型应用（12）国家高性能计算中心（合肥）642022-8-73.高性能计算的典型应用（13）国家高性能计算中心（合肥）652022-8-73.高性能计算的典型应用（14）南北气候过渡带特性,利于降水的天气系统极容易发生主要致灾系统有：（1）强冷锋/切变线（2）西南暖湿气流（3）西太平洋副高/江淮气旋/梅雨锋（4）台风/热带风暴国家高性能计算中心（合肥）662022-8-73.高性能

12、计算的典型应用（15）暴雨中心暴雨中心暴雨主要集中在梅雨期，量、强度大，暴雨主要集中在梅雨期，量、强度大，范围广范围广暴雨中心有可能同时出现在上游、中暴雨中心有可能同时出现在上游、中游和下游游和下游国家高性能计算中心（合肥）672022-8-73.高性能计算的典型应用（16）国家高性能计算中心（合肥）682022-8-73.高性能计算的典型应用（17）淮河有许多水利工程阻断了洪水的运动，导致水流运动的非连续性，严重影响洪水预见期和预报精度，水利工程的频繁启用导致洪水调度难度加大（淮河中游洪水处于非天然状态）国家高性能计算中心（合肥）692022-8-73.高性能计算的典型应用（18）国家高性能

13、计算中心（合肥）702022-8-73.高性能计算的典型应用（19）国家高性能计算中心（合肥）712022-8-73.高性能计算的典型应用（20）国家高性能计算中心（合肥）722022-8-73.高性能计算的典型应用（21）南 湾 水库Nan Wan息县息县Xi Xian潢川潢川Huang Chuan王家坝王家坝Wang Jia Ba板桥水库Ban Qiao薄山水库Bo Shan宿鸭湖水库Su Ya Hu班台班台Ban Tai地理城地理城Di Li Cheng蒙洼蒙洼Meng Wa南照集南照集Nan Zhao Ji蒙河分洪道蒋家集蒋家集Jiang Jia Ji梅 山 水库Mei Shan鲇鱼山

14、水库Nian Yu Shan南润段南润段Nan Run Duan润河集润河集Run He Ji邱家湖邱家湖Qiu Jia Hu 正阳关正阳关Zheng Yang Guan城西湖蓄洪城西湖蓄洪区区Cheng Xi Hu钐岗钐岗Shan Gang淮淮Huaihe洪汝河河灌史横排头横排头H e n g P a i Tou响洪甸水库Xiang Hong Dian佛子岭水库Fo Zi Ling磨子潭水库Mo Zi Tang河淠姜家湖姜家湖Jiang Jia Hu唐垛湖唐垛湖Tang Duo Hu城东湖城东湖Cheng Dong Hu汪集汪集Wang Ji临淮岗临淮岗Lin Huai Gang淮滨淮滨Hu

15、ai Bin董峰湖董峰湖Dong Feng Hu寿西湖寿西湖Sou Xi Hu瓦埠湖瓦埠湖Wa Bu Hu凤台凤台Feng Tai石姚段石姚段Shi Yao Duan汤渔湖汤渔湖Tang Yu Hu荆山湖荆山湖Jin Shan Hu洛河洼洛河洼Luo He Wa蚌埠蚌埠Beng Bu茨 淮 新 河河河River洪泽湖洪泽湖Hong Ze Hong Ze HuHu蒙城蒙城Meng Cheng河涡淮南淮南Huai Nan淮洪新河阜阳阜阳Fu Yang河颍沙焦岗湖焦岗湖Jiao Gang Hu 鲁台子鲁台子Lu Tai Zi控制站C o n t r o l Station水库Reservoir行洪区

16、F lo o d-R u n Area蓄洪区F lo o d-S t o r e Area上下六方堤上下六方堤Liu Fang Di磨子潭水库磨子潭水库佛子岭水库佛子岭水库响洪甸水库响洪甸水库梅山水库梅山水库鲇鱼山水库鲇鱼山水库南湾水库南湾水库宿鸭湖水库宿鸭湖水库板桥水库板桥水库薄山水库薄山水库淮河中上游水库分布图淮河中上游水库分布图国家高性能计算中心（合肥）732022-8-73.高性能计算的典型应用（22）国家高性能计算中心（合肥）742022-8-73.高性能计算的典型应用（23）l 群库联合调度结果群库联合调度结果（1 1）初始条件）初始条件（2 2）调度结果）调度结果国家高性能计算中

17、心（合肥）752022-8-73.高性能计算的典型应用（24）l 调度后各水库的出入流过程国家高性能计算中心（合肥）762022-8-73.高性能计算的典型应用（25）国家高性能计算中心（合肥）772022-8-73.高性能计算的典型应用（26）l 对MM4进行并行化，并使其具有较好的可扩放性及较大的加速比l 研究MM4对江淮气旋、梅雨锋的适应性实现 “定点、定时、定量”降水预报国家高性能计算中心（合肥）782022-8-73.高性能计算的典型应用（27）国家高性能计算中心（合肥）792022-8-73.高性能计算的典型应用（28）20072007年淮河抗洪现场年淮河抗洪现场王王家家坝坝闸闸姜

18、姜塘塘湖湖淮淮河河王王家家坝坝段段淮淮南南凤凤台台国家高性能计算中心（合肥）802022-8-73.高性能计算的典型应用（29）国家高性能计算中心（合肥）812022-8-73.高性能计算的典型应用（30）n 解决方法l 通过油气井射孔技术在井下打若干孔眼。射孔技术：l 测量孔眼处流体的相关数据（压力）。l 建立相应的流体计算模型。l 采用大规模数值计算，模拟油水分布变化。l 计算密集型应用水饱和度随时间的变化水饱和度随时间的变化国家高性能计算中心（合肥）822022-8-73.高性能计算的典型应用（31）真实的井位布置图，井矩一般超过百米，白线表示真实的井位布置图，井矩一般超过百米，白线表示

19、井井地层中有断层，纵向还有多个层段，需要描述地层中有断层，纵向还有多个层段，需要描述国家高性能计算中心（合肥）832022-8-73.高性能计算的典型应用（32）SPACINGZwPHASE ANGLELENGTHZXPERFORATIONDIAMETERCRUSHED ZONEDIAMETERPERFORATIONFig1:Perforation GeometryY国家高性能计算中心（合肥）842022-8-73.高性能计算的典型应用（33）国家高性能计算中心（合肥）852022-8-73.高性能计算的典型应用（34）Gnthn zhzDDDwn122221expcosGerfLxterfL

20、xtxDDDDDDD1222GthtyDDDLD1224exp/01,DNtDxiDDyiDDziDDiDPGxGyGzdL国家高性能计算中心（合肥）862022-8-73.高性能计算的典型应用（35）l 发现每个节点的发现每个节点的cpu利用率都很高，这对射孔完井地层的有效利用率都很高，这对射孔完井地层的有效计算具有现实的理论意义，因为从理论上来说，只要有足够多计算具有现实的理论意义，因为从理论上来说，只要有足够多的节点，就可以实现地层的精细计算。的节点，就可以实现地层的精细计算。国家高性能计算中心（合肥）872022-8-73.高性能计算的典型应用（36）l 数据量庞大：数据量庞大：横向上

21、涵盖整个油田地域，纵向上从地面到地下的多层次信息l 复杂的科学计算：复杂的科学计算：无论盆地模拟、油藏描述、圈闭管理、油藏数值模拟等都需要进行计算、统计、模拟，最终以图形、表格、文字等形式表达结果l 多学科的技术集成：多学科的技术集成：通过综合研究实现定量化、集成化、可视化及个性化国家高性能计算中心（合肥）882022-8-73.高性能计算的典型应用（37）定量化国家高性能计算中心（合肥）892022-8-73.高性能计算的典型应用（38）集成化国家高性能计算中心（合肥）902022-8-73.高性能计算的典型应用（39）可视化国家高性能计算中心（合肥）912022-8-73.高性能计算的典型

22、应用（40）个性化国家高性能计算中心（合肥）922022-8-73.高性能计算的典型应用（41）n 油藏数值模拟简介国家高性能计算中心（合肥）932022-8-73.高性能计算的典型应用（42）n 油藏数值模拟简介l油藏模拟的过程物理问题 研究研究：假设的 合理性 及其局 限性定定量量化化合理地抽象简化假设根据基本定理形成数学方程三大基本定理：质量守恒定理连续性方程动量守恒定理达西定理能量守恒定理虎克定理国家高性能计算中心（合肥）942022-8-73.高性能计算的典型应用（43）n 油藏数值模拟简介l 油藏模拟的过程数学模型 自然界的物理现象，常可以抽象成某种数学表达式来描述他的变化规律，即

23、一组带有合适出示条件和边界条件的偏微分方程组研究研究：截断 误差 与稳 定性离离散散化化国家高性能计算中心（合肥）952022-8-73.高性能计算的典型应用（44）n 油藏数值模拟简介l 油藏模拟的过程数值模型 对微分做出近似式，得到适合于用计算机求解的代数方程组计算模型 求解数值模型的一组程序，或称数值模拟软件系统研究研究：收敛 性与 收敛 速度 线性化方法 求解方法常微分方程组解法：欧拉法、龙格-库塔法直接法：高斯-赛德尔，各种超松式、交替 方向隐式、强隐式，预处理+不完分解并行算法：区域分解 算法语言：FORTRAN、C机机器器语语言言化化国家高性能计算中心（合肥）962022-8-7

24、3.高性能计算的典型应用（45）n 油藏数值模拟简介l 油藏模拟的主要步骤国家高性能计算中心（合肥）972022-8-73.高性能计算的典型应用（46）n 油藏数值模拟简介l 油藏模拟的发展总趋势油藏模拟的发展总趋势国家高性能计算中心（合肥）982022-8-73.高性能计算的典型应用（47）n 千万节点数值模拟l 千万节点数值模拟解决方案国家高性能计算中心（合肥）992022-8-73.高性能计算的典型应用（48）n 千万节点数值模拟l 非结构网格的划分及其并行化方法非结构网格的划分及其并行化方法 非结构网格的划分非结构网格的划分复杂边界、复杂砂体、断层、尖灭、直井、斜井、水平井、裂缝、断层

25、及其干扰的PEBI网格划分算法；采用多尺度网格划分方法，以减少网格数量，提高计算效率；结合砂体、断层等油藏特征的区域划分方法，在每个区域上的并行布点方法；并行PEBI网格划分方法（对每个区域）；不同区域的网格合成方法，以形成整个油藏的网格。国家高性能计算中心（合肥）1002022-8-73.高性能计算的典型应用（49）n 千万节点数值模拟l 非结构网格的划分及其并行化方法非结构网格的划分及其并行化方法 并行划分并行划分垂直井2水平井3垂直井4水平井5垂直井2水平井3垂直井4水平井5国家高性能计算中心（合肥）1012022-8-73.高性能计算的典型应用（50）n 千万节点数值模拟l 离散算法及

26、其并行实现离散算法及其并行实现采用控制体积分进行离散，离散算法的并行化策略与网格划分的并行策略相似。11,()nnij wwwwpwwwwwscjTpZCpCSq11,()nnij oooopoowwoscjTpZCpCSq1(1/)1(1)nioopwnoVBCStBpp1niowoVCtB,ijroij oij oijcooijKKTGBd1(1/)1niowpwnwVBCStBpp1niwwwVCtB国家高性能计算中心（合肥）1022022-8-73.高性能计算的典型应用（51）n 千万节点数值模拟l 线性方程求解及可视化线性方程求解及可视化 采用Newton迭代求解，合理组合AMG预处

27、理、ILU预处理，再利用GMRES方法进行求解。采用的并行技术路线为：代数多重网格AMG预处理：采用RS算法对每处理机所含网格点进行粗化，然后处理边界网格点。千万节点网格可以简化为百万量级甚至几十万量级；将矩阵A划分到每个处理器上，划分到每个处理器上的节点分成两类:只与本地处理器上节点相连的内部节点和与其他处理器有关系的边界节点，然后每个处理器独立地分解其内部的节点，最后对剩下的节点进行处理。通过这些处理，有望数小时内完成千万网格节点的数值模拟。科学计算可视化科学计算可视化 千万节点数值模拟流场显示、压力及饱和度等值线需要并行处理国家高性能计算中心（合肥）1032022-8-73.高性能计算的

28、典型应用（52）n 千万节点数值模拟l千万网格节点大规模计算小结：千万网格节点大规模计算小结：非结构网格可对复杂区域实现精细划分代数多重网格技术将计算规模从千万降低到百万甚至几十万高效的并行计算技术有望实现数小时内完成千万节点的数值模拟得到国家重大科技专项、中科院知识创新重大项目支持国家高性能计算中心（合肥）1042022-8-73.高性能计算的典型应用（53）l 我国有各类公路桥我国有各类公路桥24万多座万多座l 钢桥使用钢桥使用10年，混凝土桥年，混凝土桥30年需大修年需大修 l 我国我国40%的公路桥使用超过的公路桥使用超过25年年l 桥梁倒塌现象频发桥梁倒塌现象频发20082008年宁

29、波金塘大桥遭货轮撞击年宁波金塘大桥遭货轮撞击 2007年南海九江大桥倒塌南海九江大桥倒塌前三项数据来源于前三项数据来源于20012001年年1212月月2020日日国家高性能计算中心（合肥）1052022-8-73.高性能计算的典型应用（54）l 采用各类传感器（如电磁式传感器、压电式传感器、温度传感器等）用来检测温度、位置、压力、应变、振动等与桥梁健康状况有关的信息和影响大桥运营状况的因素。国家高性能计算中心（合肥）1062022-8-73.高性能计算的典型应用（55）国家高性能计算中心（合肥）1072022-8-73.高性能计算的典型应用（56）国家高性能计算中心（合肥）1082022-8-73.高性能计算的典型应用（57）国家高性能计算中心（合肥）1092022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（1）国家高性能计算中心（合肥）1102022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（2）国家高性能计算中心（合肥）1112022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（3）国家高性能计算中心（合肥）1122022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（4）国家高性能计算中心（合肥）1132022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（5）国家高性能计算中心（合肥）1142022-8-74.高性能计算的挑战与机遇（6）国家高性能计算中心（合肥）1152022-8-7