《高性能计算简介》课件

高性能计算简介讲将带领计历应场本座大家深入了解高性能算的基本概念、发展程以及用景讨来趋势，并探其未发展什么是高性能计算？定义特点计计规数计规计高性能算HPC是一种利用并行算、大模据处理和先高性能算通常采用大模并行处理，拥有强大的算能力，能进来杂问题问题术传计规计问题算法解决复科学和工程的技够解决统算机无法处理的大模算高性能计算的发展历程早期1940s1计现标计ENIAC等早期电子算机的出志着高性能算的萌芽超级计算机1960s-1970s2级计诞为计CRAY-1等超算机的生，高性能算提供了强础并行计算1980s-1990s3大的硬件基计术应计并行算技的广泛用，推动了高性能算的快速发集群计算2000s展4计计基于廉价的PC集群的算模式，使高性能算更加普云计算与大数据至今2010s-5及计数术为计带来云算和大据技的融合，高性能算了新的发展机遇高性能计算的重要性科学研究1计领挥关高性能算在气候模拟、生物医学研究、材料科学等域发着至重现术进要的作用，推动科学发和技步工程设计2计领应产高性能算在航空航天、汽车制造、石油勘探等域用广泛，提高计质品设效率和量经济发展3计为产术进高性能算新兴业发展提供技支撑，推动经济增长和社会步国家安全4计军报领应高性能算在事、国防、情等域用，保障国家安全和利益高性能计算机的基本架构计算节点互连网络存储系统管理系统计节计连络连计节储负责储数负责算点是高性能算机的互网接各个算点存系统存据和程管理系统管理整个高性负责执计负责数换计计资核心，行算任务，据交和通信高序高性能算需要大容量能算机系统，包括源分节连络计储来满计调监每个点通常包含多个CPU速互网是高性能算的、高速的存系统足配、任务度和控等内关键组和GPU，以及高速存和存成部分算需求储器并行计算的基本概念定义优势计将计计显计传计难并行算是一种算任务分解成多个子任务，并由多个处理器并行算可以著提高算速度，解决统算机以处理的大时执计规问题同行的算模式模并行计算的种类共享内存并行分布式内存并行内独内多个处理器共享同一块存空间每个处理器拥有立的存空间数频过传进，适合于据共享和繁通信的，通消息递机制行通信，计数对算任务适合于据量大、通信相少的计算任务混合并行结内内势杂计合共享存和分布式存的优，适合于复的并行算任务超级计算机的发展第一代1960s-1970s1为术计以CRAY-1代表，主要采用向量处理器技，算能力有限第二代1980s-1990s2为以MPP MassivelyParallel Processing代表，采用大规术计模并行处理技，算能力大幅提升第三代至今2000s-3计为计续应领以集群算和GPU加速代表，算能力持突破，用断扩域不展计算密集型应用场景天气预报气候变化模拟药物研发计计计高性能算用于模拟大高性能算用于模拟地高性能算用于模拟药环预测来气流，未天气球气候系统，研究气候物分子与靶点的相互作状过况变化的影响用，加速药物研发程金融建模计高性能算用于模拟金场进评融市，行风险估资和投决策高性能计算在科学研究中的作用加速科学发现解决复杂问题12计杂计数高性能算可以模拟复的科高性能算能够处理大量据现杂计传学象，帮助科学家理解自然和复的算任务，解决统规难难题律，取得重大科学突破方法以解决的科学促进学科交叉3计进现术高性能算推动不同学科之间的交叉研究，促新的科学发和技创新气候模拟与高性能计算应用挑战计陆数杂过应高性能算用于模拟地球大气、海洋、地和冰雪等各个子系统气候模拟需要处理大量据，涉及复的物理程和化学反，对计，研究气候变化的原因和影响算能力提出了极高的要求生物医学研究中的应用药物研发基因组学研究12计计高性能算用于模拟药物分子高性能算用于分析大量基因组数与靶点的相互作用，加速新药据，研究基因与疾病之间关研发的系蛋白质结构预测3计质结质高性能算用于模拟蛋白的构，理解蛋白的功能物理模拟与高性能计算应用挑战计领杂计对计高性能算用于模拟粒子物理、核物理、天体物理等域的物理物理模拟通常涉及复的物理模型和大量的算，算能力提现象出了很高的要求高性能计算的硬件组成中央处理器1CPU负责执计计行算任务，性能决定了算速度图形处理器2GPU计图计擅长并行算，加速形渲染和科学算互连网络3连计节负责数换接各个算点，据交和通信存储系统4负责储数计存据和程序，容量和速度影响算效率架构演进CPU单核时代1单频早期CPU采用核架构，性能提升主要依靠提高主多核时代2现开计时多核CPU的出，启了并行算的代多线程技术3线术计多程技提高了CPU的利用率，增强了并行算性能指令集优化4断执CPU指令集的不优化，提升了程序行效率加速计算GPU优势应用计规计计图频习GPU具有大量的算核心，擅长处理大模并行算任务，能GPU加速算在像处理、视渲染、机器学、科学模拟等显计习领应够著加速科学算和机器学域得到广泛用众核处理器技术定义应用将数计术计领众核处理器是指千个算核心集成到一个芯片上的处理器，众核处理器技在高性能算、嵌入式系统、人工智能等域具阔应具有高并行度和低功耗的特点有广的用前景互连网络技术重要性发展趋势连络连计节关键数计规断扩连络术断带互网是接各个算点的，它的性能直接影响着据随着算模的不大，互网技不发展，向着更高传计宽迟的输速度和整体算效率、更低延的方向发展存储系统优化高速存储分布式存储12将数储节使用SSD和NVMe等高速存据分散存在多个点，储数读写数访问错设备，提高据取和入提高据效率和容性速度数据缓存3数缓对储访问数访问利用据存机制，减少主存器的，提高据速度计算节点设计选择内存配置存储选择散热系统CPU计选择计数计储计热根据算任务的特点，根据算任务的据量，配根据算任务的存需求，设高效的散系统，确保内数选择储计节稳合适的CPU，例如多核CPU置足够的存，确保据能合适的存设备，例如算点能够定运行频载内进计内、高主CPU、GPU加速够被加到存中行算SSD、HDD、存条CPU高性能计算机系统架构管理系统1负责资调管理整个系统源和任务度互连网络2连计节负责数换接各个算点，据交和通信存储系统3储数储存据和程序，支持大容量、高速存计算节点4执计内储行算任务，包含CPU、GPU、存和存器分布式计算模型定义优势计将计计节执计计络计资计分布式算是一种算任务分散到多个算机点上行的分布式算能够充分利用网上的算源，提高算能力和可扩算模型展性网格计算定义优势计将计资来计计资规计问网格算分散在不同地理位置的算源整合起，形成一个网格算可以充分利用互联网上的算源，解决大模算虚级计题拟的超算机，并降低成本云计算与高性能计算融合趋势优势计计为计带来计弹扩计资计云算和高性能算的融合，高性能算了新的发展机遇云算提供性、可展的算源，降低高性能算的成本和槛门并行编程模型MPI MessagePassing OpenMPInterface内编基于共享存的并行程模型，传编线计基于消息递的并行程模型，适合于多程并行算内计适合于分布式存并行算CUDA ComputeUnified DeviceArchitecture编计基于GPU的并行程模型，适合于加速算编程基础MPI概念步骤标编数换编进数换终骤MPI是一种准的并行程接口，提供了一套通信和据交的MPI程通常涉及初始化、程通信、据交和止等步数库函技术OpenMP特点优势内编简单习OpenMP是一种用于共享存并行程的API，提供了一套指OpenMP使用，易于学和使用，能够有效地利用多核数线创数计令和函，用于控制程建、同步和据共享CPU的算能力并行编程CUDA概念优势编挥计计CUDA是一种用于GPU并行程的架构和API，提供了一套指CUDA能够充分发GPU的算能力，加速科学算、机器学数计数访问习领应令和函，用于控制GPU的算和据等域的用高性能计算软件生态操作系统编译器并行库应用程序为编计Linux、Unix等操作系统GCC、Intel Compiler等MPI、OpenMP、CUDA等各种科学算、工程仿真、计础译码执库编数应高性能算提供基平台器优化代，提升行效并行提供并行程接口据分析等用程序率并行算法设计目标方法将转为资计数串行算法化并行算法，充分利用多处理器源，提高算据分解、任务划分、通信优化、同步机制等效率数值计算优化算法选择1选择数换线数合适的值算法，例如快速傅里叶变、性代算法等数据结构优化2数结阵使用高效的据构，例如稀疏矩、哈希表等内存访问优化3内访问内访问优化存模式，减少存冲突计算精度控制4计选择计计根据算需求，合适的算精度，提高算效率性能分析与调优工具方法码数结内访问调使用性能分析工具，例如Valgrind、VTune Amplifier、TAU代优化、据构优化、存优化、并行化策略整等颈等，分析程序的性能瓶高性能计算的能耗挑战问题应对计为续临战节术高性能算需要消耗大量的电力，成可持发展面的挑发展低功耗处理器、优化系统架构、采用能技等绿色计算技术低功耗处理器节能优化节能算法123态计计研发低功耗、高性能的处理器，降优化系统架构，例如动电源管理设低功耗的并行算法，降低算低能耗、休眠模式等能耗计算效率评估指标方法标评计测试使用吞吐量、性能功耗比、效率等指估高性能算系统的效基准、性能分析工具等率高性能计算中的大数据处理挑战解决方案数数对储计储计术进大据处理需要处理海量据，存、算和分析能力提出了使用分布式存和算技，例如Hadoop、Spark等，行数更高的要求大据处理机器学习与高性能计算应用优势计训练习习应计计规数高性能算用于和部署机器学模型，加速机器学用的高性能算提供强大的算能力，能够处理大模据集，提高开习发和部署机器学模型的精度和效率人工智能计算平台特点发展趋势计计习数计断人工智能算平台通常包含高性能算、深度学框架、据管人工智能算平台不发展，向着更高效、更易用、更智能的方组为应计理等件，人工智能用提供强大的算支持向发展量子计算的发展概念应用前景计进计传计计计领应量子算利用量子力学原理行算，具有超越统算机的量子算在药物研发、材料科学、金融模型等域具有巨大的算能力用前景高性能计算的未来趋势异构计算架构1将不同类型的处理器（CPU、GPU、FPGA等）整合到一个系统中，以提高计算效率计算加速器技术2开专针对计络计发门特定算任务的加速器，例如神经网加速器、量子算加速器等云原生高性能计算3将计计扩计高性能算与云算平台深度整合，提供更加灵活、可展的算服务人工智能与高性能计算的融合4术将进应计资调人工智能技一步用于高性能算系统，例如自动性能优化、源度等异构计算架构优势挑战计计选择计编较杂专术异构算架构可以根据不同的算任务，最合适的处理器，异构算架构的程和优化比复，需要门的工具和技计提高算效率和能耗比计算加速器技术定义应用前景计专针对计计络计显计算加速器是门特定算任务设的硬件，例如神经网算加速器能够著提高特定算任务的性能，在人工智能、科计计领阔应加速器、量子算加速器学算等域具有广的用前景国际高性能计算发展现状竞争激烈技术创新12积美国、中国、日本等国家在高各国都在极研发新的处理器计领竞断连络术编性能算域争激烈，不架构、互网技、并行计计提升算能力程模型等，推动高性能算技术的发展应用广泛3计计领来高性能算在科学研究、工程设、人工智能等域得到越越广泛应的用中国高性能计算的成就快速发展应用普及12来计术计近年，中国高性能算技高性能算在中国科学研究、级计领计产领发展迅速，在超算机域工程设、工业生等域得应取得了重大突破到广泛用人才培养3养计为计中国培了一批高性能算人才，高性能算发展提供了人才支撑高性能计算的应用领域工程仿真金融建模地球科学研究天文学计算计预测计场计计观测高性能算用于模拟和工高性能算用于模拟金融市高性能算用于模拟地球气候高性能算用于处理天文计计进评资预报资数结程设，例如飞机设、桥梁，行风险估和投决策、地震、源勘探等据，研究宇宙演化和星系计设等构基因组学研究计高性能算用于分析大量基因组数据，研究基因与疾病之间关的系工程仿真应用优势计预测计计计计进杂师计高性能算用于模拟和工程设，例如飞机设、桥梁设高性能算能够行复的仿真，帮助工程优化设，降低成计、汽车设等本，提高效率金融建模应用优势计场进评资计数杂为高性能算用于模拟金融市，行风险估、投决策、衍生高性能算能够处理大量据，模拟复的金融模型，金融机品定价等构提供更准确的决策支持地球科学研究应用重要性计预报资环计为高性能算用于模拟地球气候变化、地震、源勘探、境高性能算地球科学研究提供了强大的工具，帮助科学家理解监测应对环战等地球系统，气候变化和境挑天文学计算应用优势计观测数结计数现高性能算用于处理天文据，研究宇宙演化、星系构、高性能算能够分析海量天文据，帮助天文学家发新的宇宙黑洞等奥秘基因组学研究应用挑战计组数关组数杂计对计高性能算用于分析大量基因据，研究基因与疾病之间的基因学研究涉及海量据和复的算，高性能算提出了为疗数系，精准医提供据支持更高的要求高性能计算面临的挑战计算规模与复杂性1计杂断对计规杂随着科学研究和工程设的复度不提升，算模和复性提出了更高的要求编程复杂性2编杂专编开维并行程模型复，需要业的程技能，发和护成本高系统可靠性3计证计结高性能算系统需要保高可靠性，以确保算果的准确性和完整性成本与资源限制4计维资高性能算系统建设和护成本高，源稀缺，需要合理分配和利用计算规模与复杂性问题应对计对计规杂进连络术编科学研究和工程设算模和复性提出了更高的要求，需发展更先的处理器架构、互网技和并行程模型，提升计计要更强大的算能力算能力编程复杂性问题应对编杂专编开维开编编难并行程模型复，需要业的程技能，发和护成本高发更友好的并行程接口，提供自动并行化工具，降低程度系统可靠性问题应对计证计结错术计监高性能算系统需要保高可靠性，以确保算果的准确性和采用容技、冗余设、控和管理工具等，提高系统可靠性完整性成本与资源限制问题应对计维资计资节术高性能算系统建设和护成本高，源稀缺，需要合理分配和采用云算平台、优化源分配策略、发展能技等，降低成资利用本，提高源利用率高性能计算教育与人才培养课程设置实践训练12应开计关课践训练高校设高性能算相提供实机会，例如使用养计计进项程，培高性能算人才高性能算平台行目研究科研合作3进计养应加强高校与科研机构、企业的合作，促高性能算人才培和用高性能计算的职业发展职位前景计领职计计术断计职高性能算域拥有丰富的业发展机会，例如高性能算工程随着高性能算技的不发展，高性能算人才需求旺盛，师数师师阔、据分析、人工智能工程等业发展前景广前沿研究方向量子计算人工智能与高性能计算12的融合计术来计量子算技是未高性能术将进应算发展的重要方向，具有巨大人工智能技一步用于计的潜力高性能算系统，提高效率和智能化水平绿色高性能计算3计发展低功耗处理器、优化系统架构，降低高性能算的能耗总结与展望计术断应围断扩来将继续高性能算技不发展，用范不展，未在科学研究、工计领挥们积计术程设、人工智能等域发重要作用我要极推动高性能算技的养计为进贡发展，培高性能算人才，国家科技步和经济发展做出献。