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高性能计算

2020-04-09 21:01

使用并行计算机完成计算任务的过程,也可作为对并行计算硬件、软件、算法、语言及其应用的总称。

高性能计算以并行计算机为物质基础。并行计算机指由多个处理器组成,可以对信息进行并行处理的计算机系统。其体系结构有多种分类:按指令和数据流分,有单指令多数据流(SIMD)型和多指令多数据流(MIMD)型;按存储方式分,有共享存储型和分布存储型;按处理机之间的连接程度分,有松耦合型和紧耦合型等。发展的主流是MIMD分布存储的多处理机系统。并行处理着重开发计算过程中的并行性(Parallelism),其含义包括同时和并发两方面,前者指两个或两个以上事件同一时刻发生,后者指相同的时间间隔内发生。

并行应用程序的开发需要并行系统软件的支持,如PVM、MPI等,它们提供数据传递、任务管理等功能的高级语言接口;也可利用网络编程语言(如 JAVA,C++)进行。对于具体的应用问题,一般先确定问题的并行算法,即对问题求解的方法和步骤进行精确的描述,然后应用并行语言进行程序设计。与串行算法相比,并行算法还需要考虑并行机的体系结构、通信开销、负载平衡、任务划分、进程迁移等因素,所以难度较大。开发并行程序有几种可能途径:①将已有串行程序改写成并行程序。②直接设计并行算法并编程。③使用自动并行转化工具,将串行程序编译成并行可执行程序,但目前尚处于研究阶段。

高性能计算的效果与问题的并行性质、并行算法的优劣和并行机的性能等多方面因素有关,体现在以下几方面:①使用并行处理器的个数。②运算速度,通常用每秒取得多少次浮点运算来表示。③加速比,使用p个处理器与使用单个处理器比较计算时间缩短的倍数。④可求解问题的时间、空间复杂性提高的程度。

由于单机速度的提高越来越困难,同时科学与工程对计算能力的要求不断增加,并行化将是计算机发展的必然趋势,研究高性能计算不仅具有现实意义,而且具有战略意义。在水利工程领域,高性能计算可用于单处理机难以求解的大型复杂问题。例如,坝体体形优化及整体分析,地下洞室群的稳定计算,复杂水流流态的精确模拟,大范围水资源的优化调配等。与单机相比,求解的规模可以大大提高,可以采用更符合实际情况的计算模型,以取得更为精确的计算结果。研究表明,在计算力学中广泛使用的有限单元法具有高度的内在并行性,并行有限元算法已经取得了若干研究成果。

20世纪70年代开始高性能计算研究,这期间并行机体系结构不断变化与发展,性能提高了3个数量级。特别值得注意的是,工作站网络系统(Net of Workstation, NOW)已经成为并行计算机发展的一个新方向。与专用的大型并行机相比,工作站网络构造灵活,性能价格比高,尤其适合于中国国情。高性能计算研究水平已经成为一个国家科技水平和实力的象征。2000年6月公布的全球最强500台超级并行机排行榜上,中国的HPC 10000和SP Power3榜上有名,分别排在第282位和287位。

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