AMiner：2018超級計算機研究報告(33頁).pdf

《AMiner：2018超級計算機研究報告(33頁).pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《AMiner：2018超級計算機研究報告(33頁).pdf（33頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、Supercomputer Research Report AMiner 超級計算機研究報告 概述篇 技術篇 人才篇 市場篇 目錄 趨勢篇 概述篇 超級計算機相關概念超級計算機發展脈絡典型超級計算機簡介 （1）什么是超級計算機？ （2）超級計算機評價體系有哪些？ （3）超級計算機有何研究價值？ （1）國防驅動階段 （2）公司主導階段 （4）多向發展階段 （1）Summit （3）蓬勃發展階段 （2）神威太湖之光 （3）Sierra 1.1超級計算機相關概念 超級計算機當前以每秒鐘浮點運算速度（flops） 為主要衡量單位。 目前，超級計算機領域頂尖研究機構正在針對E級 （Eflops=1018

2、flops）系統的研發進行激烈競爭。 現狀 TOP500是業界公認的超級計算機性能排行榜。 Green500是針對超級計算機能效的排行榜。 戈登貝爾獎被認為是超級計算應用領域的諾貝爾獎。 超級計算機評價體系有哪些？ 超級計算機在天氣預測、污染檢測與防控、石 油氣勘探與地震預測、工程仿真、動畫效果渲 染等領域已經創造了不可估量的價值。 超級計算機有何研究價值？ 超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機 等，在計算速度、存儲容量等方面有著普通 計算機所不具備的超高性能。. 什么是超級計算機？ 定義 概述篇 1.2超級計算機發展脈絡 國防驅動階段 1950smid-1960s 公司主導階段 mid-1

3、960s1970s 蓬勃發展階段 1980s1990s 多向發展階段 21世紀以來 概述篇 軍事目標下的 國家資助模式 成本降低、 向量處理起步 日本崛起、 并行計算流行 中國趕超、 異構集群系統奪魁 1.3典型超級計算機簡介 Summit，代號“OLCF-4”，擅長人工智能、機 器學習和深度學習方面的運算。 Summit 神威 太湖之光是中國大陸首個不使用英特爾等美 國公司的核心產品而登上TOP500第一名寶座的超 級計算機。 神威 太湖之光 Sierra，代號ATS-2，是IBM為美國能源部下屬的 勞倫斯利福摩爾國家實驗室建造的超級計算機。 Sierra 最新 的超級計算https機 TO

4、P500前三進行簡單 介紹 概述篇 技術篇 基礎層：以異構并行為基礎 的超級計算機組成 中間層：六類設備+三大網 絡 應用層：解決方案 （2）生物醫藥與智能醫療 （2）架構分類 （1）六類設備 （3）最新發展 （2）三類網絡 （3）基本原理 （1）石油氣勘探 （1）基本原理 （3）工程仿真與航天器研發 （4）天氣預報與霧霾預警 （5）海洋環境工程 （6）建筑信息模型 （7）基礎科學研究 超級計算機技術分層 超級計算機技術有三個層次：基礎層、中間層和應用層。其中，基礎層主要應用層涉及超級計算機使用場景，而中間層則包含 了數據存儲、計算、管理等多重技術支持，正是有了中間層的鏈接，超級計算機原理才能

5、落實到應用問題解決之中。 技術篇 2.1基礎層：以異構并行為基礎的超級計算機組成 基本原理 超級計算的基本原理是并行計算。 超級計算的性能優化之一是提高并行可 擴展性。目前來看，硬件層面并行化的 實現手段為：多重執行單元等。 架構分類 當今的超級計算機系統大多以MIMD方 式工作。 按照并行計算方式存儲器是共享還是分 布，可以將超級計算機系統的架構作如 下劃分： 最新發展 自1996年以來，由于挑戰性應用問題的 急切需求，加快了計算機系統結構的演 變和發展進程。. 進入21世紀之后，采用專用處理器或者 附屬加速處理器的方式加以實現。 技術篇 2.2 中間層：六類設備+三大網絡 當前HPC的主要

6、架構包括Cluster集群和 MPP（大規模并行處理）兩種，典型的 HPC集群系統主要由五類計算（或網絡） 設備和三類網絡組成。 六類設備 登錄節點，用戶通常登錄到這個節點 上編譯并提交作業. 01. 管理節點，負責監控各個節點和網絡 運行狀況。 02. 交換設備，集群節點之間需要通過網 絡連接在一起 05. 計算節點，用于執行計算，一般可以 分為瘦節點和胖節點 03 異構節點，目前的異構節點通常同時 使用CPU及加速器設備 04. I/O設備和存儲設備，每臺執行任務的 計算節點須訪問同樣的數據 06. 技術篇 2.2 中間層：六類設備+三大網絡 存儲網絡，需要向高性能計算 機的節點提供數據訪

7、問服務。 計算網絡，用于各計算節點之間的互 聯，是并行任務執行時進程間通信的 專用網絡。 管理網絡，用于管理節點和各 個計算節點、I/O節點的互聯。 三大網絡 技術篇 2.3 應用層：解決方案 1 石油氣勘探 3 工程仿真與航天器研發 2 生物醫藥與智能醫療 4 天氣預報與霧霾預警 5 海洋環境工程 6 建筑信息模型 技術篇 7 基礎科學研究 2.3 應用層：解決方案 長期以來，油氣地球物理勘探技術的發展與 應用高度依賴于包括高性能計算技術在內的 信息技術的發展。 石油氣勘探 基于“天河一號”開展的石油勘探數據處理程 序，實現了復雜地質條件下上千平方公里數據 的逆時偏移處理。 解決方案與服務內

8、容包括：測試服務；偏 移處理服務，應用并行優化開發服務。 技術篇 依托高性能計算、云計算、大數據及人工智能等技術的高度發展，使國 民健康行業走向真正意義上的智能化。 生物醫藥與智能醫療 依托高性能計算相關科學研究和項目合作，可以整體提高行業和企業的競爭力。 生物醫藥（Biological Medicine） 通過打造醫療信息平臺等，結合大數據等關鍵技術，提高臨床疾病的診斷效率 和精度。 智能醫療（Intelligent Medical） 案例：“天河一號”支持華大基因開展大規模生物基因處理及數據存儲： 開發了基于GPU的高效基因測序處理軟件，并利用該軟件進行了3000 株水稻的基因組重測序分析

9、 2.3 應用層：解決方案 案例 工程仿真CAE利用計算機輔助求解力學性能的分析計算 結果。其核心思想是結構離散化，得出滿足工程精度的 近似結果。 工程仿真與航天器研發 案例：在航空發動機研制中，氣動穩定性是最重要的技術標準之一。 技術篇 某型航空發動機內部三維流動工程仿真效果圖 人們可以模擬越來越大規模的微觀系統，從而極大地增強了對 自然的認知能力。用來模擬微觀世界中原子和分子的相互作用 和行為。 基礎科學研究 案例： 使用并行程序進行密度泛函理論（DFT）計算已經成為材料 科學、固體物理、計算化學、計算生物學等領域內必不可少的 研究手段之一； 并行實現的高精度耦合簇理論（CC）和組態相互作

10、用（CI） 方法被許多量子化學計算程序采用，成為計算化學的主要工具； 2.3 應用層：解決方案 案例 數值天氣預報將氣象數據和邊界參數導入方程求 解，從而預測大氣變化和狀態的科學。 天氣預報與霧霾預警 業務流程大致為：氣象數據收集和預處理、數值天氣預報流程、綜 合數值天氣預報、天氣學與統計學等輸出預報結果。它是典型的計 算密集型應用（Computing-Intensive）， 案例：國家超級計算長沙中心為中 部某省氣象局提供了數值天氣預報 計算的平臺支持，以提高天氣預報、 氣候預測的及時性、準確性、可靠 性和精細化。 技術篇 某型航空發動機內部三維流動工程仿真效果圖 2.3 應用層：解決方案

11、案例 從海洋環流數值模擬到空氣質量實時監測，再到海洋 災害預報等，實現海洋環境數值預報的精確性。 海洋環境工程 廣州市香港科大霍英東研究院建立的CMOMS數值模擬系統， 為應對中國海域及其附近海域的氣候變化提供參考與支持。 案例：“神威 太湖之光”超級計算機實現了MASNUM海浪數值模擬的（1/60）高分辨率的全 球海洋模式，模式成功擴展到8,519,680核數，達到最高30.07Pflops的峰值性能。 技術篇 利用“神威 太湖之光“模擬的全球（a）與區域（b）重要海浪高度分布 2.3 應用層：解決方案 案例 建筑信息模型（Building Information Modeling，簡 稱B

12、IM）是一項將建筑與信息相結合的綜合技術。 建筑信息模型 通過高性能計算機系統對建筑過程中產生的主要數據進行存儲處理， 提高工程效率與質量，為推動智慧城市的建設與發展起到重要作用。 案例：天河BIM云平臺以工程仿真系統、大數據平臺和云平臺為 依托，為產業園建設提供四類服務： BIM遠程可視化建模平臺，即可進行BIM遠程可視化建模。 BIM協同設計服務，實現不同參與方、不同專業的多地點、實 時協同工作。 技術篇 遠程可視化建模 學者概況 學者概況 12 代表性研究學者 51243 學者分布圖 學者統計圖h-index比例圖男女比例圖 人才遷徙圖 國外學者國內學者 人才篇 學者概況國外學者國內學者

13、 學者概況 AMiner以“supercomputer”為關鍵詞，對超級計算領域全球TOP1000的學者進行分析。 由上圖可得：美國人才最多、最為集中，中國緊隨其后，英國等也有不少超級計算機人才。這與國家超級計算機發展水平呈正相關。 全球學者分布圖 人才篇 學者概況 AMiner選取超級計算機領域排名TOP1000的專家學者的遷徙做了分析。 由上圖可得，美國是超級計算機領域人才流動大國。 英國、中國等國人才流動量落后于美國，英國和中國的人才流入量大于流出量，德國和加拿大有輕微的人才流失現象。 全球學者遷徙圖 人才篇 學者概況 全球超級計算機領域TOP學者h-index指數 10的人數最多，占比

14、67.17%， h-index指數在10-19之間的學者人數次之， 占比16.52%， h-index指數60和在50-59之間的學者人 數最少，前者占比1.21%，后者占比0.71%。 全球TOP1000學者h-index分布圖 人才篇 67.17% 16.52% 8.08% 3.94% 2.52% 1.21% 0.71% 1010-1920-2930-3940-496050-59 學者概況全球學者男女比例圖 全球超級計算機TOP學者男性占97%，女性占3%，男女人數相差懸殊。 male 97% female 3% malefemale 人才篇 學者概況 由全國學者分布圖放大后，繪制了該領域

15、學者的中國分布地圖。由圖可知：超級計算機學者在中國集中于北京及廣州等地方。 中國學者分布圖 人才篇 國外學者 Jack DongarraIan T.FosterMarc SnirBronis R.De Supinski 美國田納西大學電子工程 和計算機科學系的計算機 科學杰出教授。在曼徹斯 特大學的計算機科學和數 學學院擁有圖靈獎學金。 新西蘭裔美國人計算 機科學家。數據科學 與學習部門的主任， 也是芝加哥大學計算 機科學系的教授。 以色列美國計算機科 學家。擅長計算復雜 性、并行算法、并行 體系結構、互連網絡 等細分領域。 勞倫斯利弗莫爾國家實 驗室項目的首席技術官， 主要研究包括數據挖掘

16、技術及其在性能分析和 建模上的應用 國外代表性研究學者 Satoshi Matsuoka 日本東京工業大學教 授，研究大型超級計 算機和類似基礎設施 的系統軟件。曾獲得 “戈登 貝爾”獎 人才篇 國內學者 楊廣文廖湘科錢德沛王恩東 清華大學博導，高性 能計算技術研究所所 長、計算機系學術委 員會副主任。他擅長 分布式信息服務與集 成技術等，曾獲 “戈 登 貝爾”獎。 現任國防科技大學計 算機學院院長、天河 二號總設計師。長期 從事高性能計算機系 統軟件與通用操作系 統的科研工作。 北京航空航天大學教 授，中山大學數據科 學與計算機學院院長、 教授。研究高性能計 算機體系結構、分布 式系統等。

17、中國工程院院士，高效 能服務器和存儲技術國 家重點實驗室主任。在 開放計算領域都達到了 國際領先水平。 國內代表性研究學者 楊超 中國科學院軟件研究 所研究員，榮獲 “戈 登貝爾”獎。在大氣 動力學模擬的全隱式 求解器算法和軟件研 究方面辛勤耕耘。 人才篇 市場篇 各國排名進入TOP500的計算 機數量情況 超級計算機TOP500前十的 情況 國際高性能計算大會榜單 由榜單可得，中國已成為全球擁有最多超級計算機的國家，全球TOP500的超級計算機中，有206臺是中國研制，美國則擁有124臺。 各國排名進入TOP500的計算機數量情況（2018年6月） 市場篇 排名國家和地區排名進入TOP500

18、的計算機數量所占百分比處理器總數 1中國20641.2%25,107,680 2美國12424.8%15,829,720 3日本367.2%7,170,408 4英國224.4%1,678,220 5德國214.2%1,422,814 6法國183.6%1,816,720 7荷蘭91.8%424,800 8韓國71.4%843,300 9愛爾蘭71.4%334,824 TOP500前十排名 2018年6月超級計算機TOP500前十 由圖可知，除了排名第二的神威 太湖之光，前五名中的其余四個都是新建或是大幅升級過的系統。 市場篇 排名名稱國家場所供應商 1Summit美國橡樹嶺國家實驗室國際商業

19、機器公司 2神威 太湖之光中國國家超級計算無錫中心 國家并行計算機工程技術研究中 心 3Sierra美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室國際商業機器公司 4天河-2A中國國家超級計算廣州中心 中國人民解放軍國防科學技術大 學 5ABCI日本國家先進工業科學技術研究所富士通株式會社 6代恩特峰瑞士瑞士國家超級計算中心克雷公司 7泰坦美國橡樹嶺國家實驗室克雷公司 8紅杉美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室國際商業機器公司 9Trinity美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室克雷公司 10Cori美國國家能源研究科學計算中心國際商業機器公司 趨勢篇 速度大幅提升與AI、VP融合量子計算機生物計算機 當前，世界TOP500的

20、超級計算機，基本都可 以達到P級 （1Pflot=1015flops）運 算速度。 預計2020年全球數據量 將超過4萬億GB，這些海 量的大數據通過最新的深 度學習技術將為人類社會 創造難以估量的價值。 2017年年底，IBM宣布 全球首臺50個量子比特 的量子計算原型機，被 媒體認為最快超級計算 機“神威 太湖之光”。 生物計算機也稱仿生 計算機，主要原材料 是生物工程技術產生 的蛋白質分子，能模 仿人腦的機制等。 近期熱度圖 AMiner通過挖掘1980-2017年間超級計算機領域論文信息，計算出超級計算機近期熱點。圖中每個彩色分支表示一個關鍵詞領域， 其寬度表示該關鍵詞的研究熱度，各關

21、鍵詞在每一年份（縱軸）的位置是按照這一時間點上所有關鍵詞的熱度高低進行排序。 趨勢篇 版權聲明 AMiner研究報告版權為AMiner團隊獨家所有，擁有唯一著作權。AMiner咨詢產品是AMiner團 隊的研究與統計成果，其性質是供用戶內部參考的資料。 AMiner研究報告提供給訂閱用戶使用，僅限于用戶內部使用。未獲得AMiner團隊授權，任何人 和單位不得以任何方式在任何媒體上（包括互聯網）公開發布、復制，且不得以任何方式將研究報告 的內容提供給其他單位或個人使用。如引用、刊發，需注明出處為“AMiner.org”，且不得對本報 告進行有悖原意的刪節與修改。 AMiner研究報告是基于AMi

22、ner團隊及其研究員認可的研究資料，所有資料源自AMiner后臺程序 對大數據的自動分析得到，本研究報告僅作為參考，AMiner團隊不保證所分析得到的準確性和完整 性，也不承擔任何投資者因使用本產品與服務而產生的任何責任。 www.islide.cc 32 公司名稱國家時間 IBMSummit美國2018.06 今 國家并行計算機工程技術研究中心神威 太湖之光中國2016.6-2017.11 國防科技大學天河-2中國2013.06-2016.06 克雷公司（Cray）Titan美國2012.11-2013.06 IBM藍色基因/Q美國2012.06-2012.11 理化學研究所京(超級計算機)

23、日本2011.06-2012.06 國防科技大學天河-1中國2010.11-2011.06 Cray美洲虎(超級計算機)美國2009.11-2010.11 IBM走鵑(超級計算機)美國2008.06-2009.11 IBM藍色基因/L美國2004.11-2008.06 日本電氣（NEC）地球模擬器日本2002.06-2004.11 IBMASCI White美國2000.11-2002.06 英特爾ASCI Red美國1997.06-2000.11 日立CP-PACS日本1996.11-1997.06 日立SR2201日本1996.06-1996.11 富士通數值風洞日本1994.11-1996.06 英特爾Paragon XP/S140美國1994.06-1994.11 富士通數值風洞日本1993.11-1994.06 TMCCM-5美國1993.06-1993.11 掃碼關注 下載報告