英特爾高性能計(jì)算技術(shù)助力中國(guó)科研教育網(wǎng)格二期建設(shè)

隨著以落實(shí)科教興國(guó)戰(zhàn)略、迎接世界新技術(shù)革命挑戰(zhàn)為主要目標(biāo)的“211工程”進(jìn)入三期階段，國(guó)內(nèi)高等院校承擔(dān)的科研與教學(xué)任務(wù)越來(lái)越多，他們?cè)谔剿魑粗澜鐣r(shí)對(duì)高效處理復(fù)雜運(yùn)算的需求也越來(lái)越強(qiáng)。這使得過(guò)去只用于少數(shù)科研機(jī)構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)，也開(kāi)始成為了眾多院校必備的“基礎(chǔ)設(shè)施”。為了推動(dòng)更多擁有雄厚科研力量的高校快速建設(shè)、充分利用高性能計(jì)算系統(tǒng)，在國(guó)家863計(jì)劃及211工程支持下，我國(guó)正在全力建設(shè)的全球最大、最先進(jìn)、最實(shí)用且以高性能計(jì)算系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)的中國(guó)教育科研網(wǎng)格（ChinaGrid）也迎來(lái)了第二期的啟動(dòng)階段。

走向全新發(fā)展階段的ChinaGrid

中國(guó)教育科研網(wǎng)格（ChinaGrid）是教育部“十五”211工程公共服務(wù)體系“CERNET高速地區(qū)網(wǎng)和重點(diǎn)學(xué)科信息服務(wù)體系建設(shè)”的重大專(zhuān)項(xiàng)，同樣也是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863項(xiàng)目）資助的項(xiàng)目。它的目標(biāo)是要將中國(guó)國(guó)家教育科研網(wǎng)（CERNET）和國(guó)內(nèi)各大高校的海量計(jì)算資源和信息資源通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)集成起來(lái)，形成一個(gè)可提供高性能計(jì)算和信息服務(wù)、以輔助教學(xué)和科研的在線平臺(tái)。

自2002年開(kāi)展一期建設(shè)到2010年，ChinaGrid已經(jīng)建成了覆蓋全國(guó)13個(gè)省市、20所高校的網(wǎng)格環(huán)境，聚合計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力已分別達(dá)到16萬(wàn)億次和180TB，是目前全球最大的基于高校資源構(gòu)建的網(wǎng)格環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，ChinaGrid還第一期成功開(kāi)發(fā)和部署了五類(lèi)應(yīng)用網(wǎng)格：生物信息學(xué)、圖像處理、計(jì)算流體力學(xué)、海量信息處理、大學(xué)課程在線。

就在第一期建設(shè)取得了階段性成果之際，2011年3月國(guó)家發(fā)展改革委又批準(zhǔn)了中國(guó)教育科研網(wǎng)格二期建設(shè)項(xiàng)目科研報(bào)告。ChinaGrid二期項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)由華中科技大學(xué)等42所高等學(xué)校承擔(dān)，建設(shè)內(nèi)容主要包括網(wǎng)格資源建設(shè)、重點(diǎn)學(xué)科網(wǎng)格平臺(tái)與典型應(yīng)用建設(shè)和公共支撐平臺(tái)建設(shè)。

來(lái)自英特爾等IT廠商的傾力支持

ChinaGrid的建設(shè)不但牽動(dòng)著中國(guó)教育和科研行業(yè)內(nèi)部人士的關(guān)注，也一直是以英特爾公司為代表的、引領(lǐng)著高性能計(jì)算技術(shù)商業(yè)化和普及化的IT廠商們?nèi)χС值膶?duì)象。它們不但攜手合作伙伴為ChinaGrid第一期中參與的高校提供了最適于它們應(yīng)用環(huán)境和特征的高性能計(jì)算產(chǎn)品及技術(shù)，還提供了很多涉及高校高性能計(jì)算人才培養(yǎng)與應(yīng)用優(yōu)化的支持。

以英特爾公司為例，為幫助ChinaGrid參建高校發(fā)掘其高性能計(jì)算系統(tǒng)的性能潛力，并加速相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的研發(fā)，它就曾特意將網(wǎng)格計(jì)算列為“英特爾大學(xué)合作計(jì)劃”在國(guó)內(nèi)的重點(diǎn)合作領(lǐng)域之一，不但通過(guò)研究資助及提供適當(dāng)?shù)能浖脚_(tái)，直接參與了CGSP平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，還與ChinaGrid一期建設(shè)時(shí)間同步，即從2003年初至2005年底累計(jì)為16所國(guó)內(nèi)高校的20個(gè)與網(wǎng)格相關(guān)的研究項(xiàng)目提供了資助。

此外，英特爾還通過(guò)資助課程開(kāi)發(fā)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)課程等方式，幫助國(guó)內(nèi)高校開(kāi)發(fā)了與網(wǎng)格和高性能計(jì)算相關(guān)的課程課件；通過(guò)贊助和協(xié)辦全國(guó)性高性能計(jì)算技術(shù)競(jìng)賽，如英特爾高性能計(jì)算應(yīng)用與優(yōu)化大賽，帶動(dòng)了網(wǎng)格和高性能計(jì)算技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)；通過(guò)舉辦網(wǎng)格與高性能計(jì)算學(xué)術(shù)研討會(huì)，特別是邀請(qǐng)公司內(nèi)部來(lái)自全球各地的高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家來(lái)中國(guó)分享經(jīng)驗(yàn)和最新技術(shù)進(jìn)展，迅速提升了國(guó)內(nèi)高校對(duì)網(wǎng)格和高性能計(jì)算技術(shù)的研究和應(yīng)用水平。

ChinaGrid二期與百億億次時(shí)代

既往持續(xù)、傾力的支持讓英特爾公司在ChinaGrid的發(fā)展歷程上留下了濃墨重彩的一筆，而面對(duì)ChinaGrid第二期的建設(shè)，英特爾則認(rèn)識(shí)到了更為艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵?011年－2020年這一個(gè)新的十年期，高性能計(jì)算在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求激增的推動(dòng)下，必將出現(xiàn)更為快速的發(fā)展，以應(yīng)對(duì)那些對(duì)性能要求更為苛刻的應(yīng)用，包括管理互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)、尋求應(yīng)對(duì)氣候變化的解決方案、管理不斷增加的自然資源（如石油和天然氣）開(kāi)采成本等。高校和科研機(jī)構(gòu)用于科研工作的科學(xué)計(jì)算類(lèi)應(yīng)用本來(lái)就是此前最消耗高性能計(jì)算資源的一類(lèi)應(yīng)用，在未來(lái)十年來(lái)自它們的性能需求壓力只會(huì)更加水漲船高。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，英特爾和很多合作伙伴都意識(shí)到了將高性能計(jì)算推向百億億次時(shí)代的緊迫性和必要性。所謂百億億次，就是指高性能計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)每秒百億億次浮點(diǎn)計(jì)算（ExaFLOP/s）的性能水平，這相當(dāng)于目前全球最快高性能計(jì)算機(jī)性能的百倍之多，英特爾希望在2011年－2020年這個(gè)十年期的末期實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。據(jù)英特爾預(yù)測(cè)： 2015年時(shí)，全球高性能計(jì)算機(jī)500強(qiáng)（TOP500）排行榜上排名第一的系統(tǒng)在性能上將有望達(dá)到每秒十億億次浮點(diǎn)計(jì)算，2018年時(shí)，它將越過(guò)每秒百億億次浮點(diǎn)計(jì)算的標(biāo)桿，而到2011-2020這個(gè)十年期的末期時(shí)，地球上最快的計(jì)算機(jī)的性能則有望超過(guò)每秒4百億億次浮點(diǎn)計(jì)算。如此強(qiáng)大的計(jì)算能力，將為所有高性能計(jì)算應(yīng)用的計(jì)算效率和精細(xì)度帶來(lái)革命性的提升，從而使包括科學(xué)研究、石油勘探、新能源開(kāi)發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)、氣象和自然災(zāi)害預(yù)測(cè)以及金融計(jì)算等在內(nèi)的、需要使用強(qiáng)大計(jì)算力解決極為復(fù)雜問(wèn)題的相關(guān)領(lǐng)域獲得極大收益。

制勝百億億次計(jì)算時(shí)代的利器

遙望百億億次時(shí)代，可以說(shuō)人們想象的應(yīng)用場(chǎng)景越美妙，它們實(shí)現(xiàn)起來(lái)的難度就越高。而在所有挑戰(zhàn)中，最首要的就是如何在可接受的能源消耗狀況下實(shí)現(xiàn)這一性能目標(biāo)。舉例來(lái)說(shuō)，今天中國(guó)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)——天河一號(hào)A（Tianhe-1A）如果要實(shí)現(xiàn)每秒百億億次浮點(diǎn)計(jì)算性能，就需要消耗1.6GW的電能，這相當(dāng)于200萬(wàn)個(gè)普通家庭的用電量，因此會(huì)帶來(lái)巨大的能效挑戰(zhàn)。

面對(duì)這個(gè)難題，英特爾給出的創(chuàng)新方向是進(jìn)一步提升現(xiàn)有處理器的性能和能效，并輔以專(zhuān)門(mén)針對(duì)高度并行計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的創(chuàng)新計(jì)算技術(shù)。前者對(duì)于未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的高性能計(jì)算需求，包括ChinaGrid二期建設(shè)的前期階段是非常有意義的。英特爾將在這一階段堅(jiān)持提供不斷優(yōu)化的處理器平臺(tái)。例如英特爾目前主打雙路服務(wù)器（可用于構(gòu)建高性能計(jì)算集群）和多路服務(wù)器（有助于實(shí)現(xiàn)超級(jí)節(jié)點(diǎn)）的至強(qiáng)? 5600處理器和至強(qiáng)? E7處理器分別比各自的上一代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高達(dá)60%和40%的性能提升，是各自市場(chǎng)領(lǐng)域中最具性能實(shí)力的產(chǎn)品，在這兩款處理器之后，即將問(wèn)世的新一代雙路服務(wù)器平臺(tái)——至強(qiáng)? E5處理器平臺(tái)（代號(hào)為Romley）也將憑借全新Sandy Bridge微架構(gòu)（支持高度彈性化的多核架構(gòu)設(shè)計(jì)以及針對(duì)并行計(jì)算優(yōu)化AVX高級(jí)矢量擴(kuò)展指令集）、對(duì)于磁盤(pán)陣列和SAS先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)以及板載萬(wàn)兆網(wǎng)卡的支持，為高性能計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)層面的性能和功能均帶來(lái)顯著提升。[!--empirenews.page--]

在處理器平臺(tái)不斷更新升級(jí)的同時(shí)，如果僅使用通用處理器來(lái)提升性能面對(duì)的功耗挑戰(zhàn)越來(lái)越大，英特爾制勝百億億次計(jì)算時(shí)代的另一利器——針對(duì)高度并行計(jì)算任務(wù)開(kāi)發(fā)的英特爾?　集成眾核（Intel? Many Integrated Core，Intel MIC）架構(gòu)就將發(fā)揮重要作用。

與其他IT廠商提供的類(lèi)似產(chǎn)品或解決方案相比，英特爾? 集成眾核（MIC）架構(gòu)最強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)就是基于已被業(yè)界廣泛接受和應(yīng)用的英特爾架構(gòu)，因此其相關(guān)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化也沿用了用戶(hù)們熟悉的編程模型和編程環(huán)境，這使得用戶(hù)可以利用英特爾軟件開(kāi)發(fā)和優(yōu)化工作的特別版本，在非常短的時(shí)間內(nèi)將其現(xiàn)有的、運(yùn)行在英特爾架構(gòu)處理器平臺(tái)上的高性能計(jì)算應(yīng)用遷移到基于英特爾?　集成眾核架構(gòu)的產(chǎn)品上運(yùn)行，并通過(guò)簡(jiǎn)單的優(yōu)化就能獲得可觀的性能提升，而這將為用戶(hù)帶來(lái)的應(yīng)用性能迅速增長(zhǎng)和既往軟件投資得以保全的雙重收益。

真實(shí)應(yīng)用負(fù)載理念指導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化

匯集以上英特爾已經(jīng)發(fā)布和即將推出的高性能計(jì)算產(chǎn)品技術(shù)，再加上整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的智慧與努力、支持與幫助，高性能計(jì)算用戶(hù)、包括ChinaGrid參與高校這樣的科學(xué)計(jì)算用戶(hù)在走向百億億次計(jì)算時(shí)代就擁有了更多的先機(jī)和勝算。不過(guò)，擁有了可構(gòu)建更高性能計(jì)算系統(tǒng)的核心模塊和能否真正按照自身應(yīng)用需求構(gòu)建出最適用于它們的系統(tǒng)還是有所不同的。其中的關(guān)鍵，就是用戶(hù)能夠根據(jù)自身應(yīng)用負(fù)載的特征和需求構(gòu)建和優(yōu)化其高性能計(jì)算系統(tǒng)。

面對(duì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，英特爾則致力于倡導(dǎo)以真實(shí)應(yīng)用負(fù)載理念來(lái)指導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化，這與曾經(jīng)流行的單純以個(gè)別基準(zhǔn)測(cè)試軟件，如Linpack測(cè)試成績(jī)及其在高性能計(jì)算機(jī)排行榜上的名次來(lái)指導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化迥然有異。英特爾認(rèn)為：像Linpack、Stream、SPEC旗下用于測(cè)試處理器浮點(diǎn)和整數(shù)計(jì)算性能的基準(zhǔn)測(cè)試更適用于發(fā)掘系統(tǒng)平臺(tái)中單個(gè)組件，如處理器和內(nèi)存的極限性能水平，但它卻無(wú)法衡量出在一個(gè)真正的應(yīng)用中，一個(gè)高性能計(jì)算系統(tǒng)中的所有組件是如何運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)互相影響以實(shí)現(xiàn)最佳性能、能效、性?xún)r(jià)比和性能空間比的。

相對(duì)而言，惟有使用源自高性能計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)商提供的或用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的應(yīng)用，并配合真實(shí)的負(fù)載，才能更為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)被測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)表現(xiàn)，它是否符合真實(shí)應(yīng)用的需求，并發(fā)現(xiàn)其進(jìn)一步優(yōu)化的方向，這種指導(dǎo)可以為用戶(hù)帶來(lái)更加合理的投資以及出色的投資回報(bào)。

英特爾支持ChinaGrid提升高校科研效率

通過(guò)提供包括最新至強(qiáng)?　處理器以及英特爾? 集成眾核架構(gòu)產(chǎn)品和與之相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)與優(yōu)化工作，以及更多創(chuàng)新的高性能計(jì)算技術(shù)，英特爾公司由衷期望能夠在未來(lái)十年引領(lǐng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)界走向百億億次計(jì)算時(shí)代的同時(shí)，全力支持和幫助ChinaGrid第二期建設(shè)走向成功，以技術(shù)的力量破解其面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而加速中國(guó)高校的科研效率，實(shí)現(xiàn)與中國(guó)高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)及最終用戶(hù)的持續(xù)共贏。