并行计算机与并行计算

CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算张鑫理论与计算化学国际合作研究中心分子反应动力学国家重点实验室CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry情况介绍分子反应动力学国家重点实验室交叉分子束动力学课题组理论与计算化学国际合作中心研究员2人，其中一位为中国科学院院士，高级访问学者1人，博士后研究人员6人，博士研究生18人，硕士研究生4人与多个国际学术团队有很好的合作，与纽约大学化学系张增辉教授合作建立理论与计算化学国际合作研究中心CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry主要研究工作实验方面：实验方面：实验方面：实验方面：交叉分子束对光解，碰撞反应，立体化学动力学的研究激光诱导荧光方法对光解，立体化学动力学的研究飞秒激光对超快动力学过程的研究理论方面：理论方面：理论方面：理论方面：准经典轨线方法对反应动态学的研究量子力学方法对反应动态学的研究复杂体系势能面的构造，拟和量子化学及其他方法对分子结构，物质特性，化学反应过程的研究1997-2001年，发表文章84篇，其中英文66篇CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistryHPCServerHPCServerHPCServerHPCServerCCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算并行计算机与并行计算1111为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机2222并行计算机的类型并行计算机的类型并行计算机的类型并行计算机的类型3333什么是并行计算，并行进程的特性什么是并行计算，并行进程的特性什么是并行计算，并行进程的特性什么是并行计算，并行进程的特性及并行模型的分类及并行模型的分类及并行模型的分类及并行模型的分类4444工作站集群工作站集群工作站集群工作站集群((((COW)COW)COW)COW)的基本结构的基本结构的基本结构的基本结构5555中国科学院十五计划中关于并行计中国科学院十五计划中关于并行计中国科学院十五计划中关于并行计中国科学院十五计划中关于并行计算部分算部分算部分算部分CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机为什么要建造并行计算机CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry什么是超级计算环境超级计算（Supercomputing），从技术的意义上说，是为了在问题的求解上具有更快的速度、更高的精度、更大的规模、更好的性能价格比而采用的非主流计算的设施和方式。CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry计算速度的要求计算速度的要求计算速度的要求计算速度的要求�问题:科学和工程问题的数值模拟与仿真–计算密集–数据密集–网络密集–三种混合�要求:在合理的时限内完成计算任务–秒级制造业–分钟级短时天气预报(当天)–小时级中期天气预报(3~10日)–尽可能快长期天气预报(气候)–可计算湍流模拟CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry问题的规模全球气候变化图1-1系统速度天气预报72小时油藏建模机翼设计物体特性分析年后19951991198019881993存储器容量48结构生物学药物设计化学动力学1000GB100GB10GB1GB100MB10MB小时天气预报100Mflops1Gflops10Gflops100Gflops1Tflops人类基因湍流飞行动力学海洋环流粘滞流体动力学超导建模半导体建模视觉量子染色动力学3维等离子体建模CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry计算机的规模:TOP10(2001年7月)排名制造商计算机Rmax使用单位,地点国家制造年份应用领域处理器数1IBMASCIWhite,SPPower3375MHz7226722672267226LawrenceLivermoreNationalLaboratoryLivermoreUSA2000ResearchEnergy81922IBMSPPower3375MHz16way2526252625262526NERSC/LBNLBerkeleyUSA2001Research25283IntelASCIRed2379.6SandiaNationalLabs,AlbuquerqueUSA1999Research96324IBMASCIBlue-PacificSST,IBMSP604e2144LawrenceLivermoreNationalLaboratory,LivermoreUSA1999ResearchEnergy58085SGIASCIBlueMountain1608LosAlamosNationalLaboratory,LosAlamosUSA1998Research61446IBMSPPower3375MHz1417IBM/NavalOceanographicOffice(NAVOCEANO),PoughkeepsieUSA2000VendorAerospace13367HitachiSR8000-F1/1121035LeibnizRechenzentrumMuenchenGermany2000Academic1128HitachiSR8000-F1/100917.2HighEnergyAcceleratorResearchOrganization/KEK,TsukubaJapan2000Research1009CrayInc.T3E1200891.5GovernmentUSA1998Classified108410CrayInc.T3E1200891.5USArmyHPCResearchCenteratNCSMinneapolisUSA2000Research1084CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistryIBMBuildsWorld'sFastestIBMBuildsWorld'sFastestIBMBuildsWorld'sFastestIBMBuildsWorld'sFastestSupercomputertoSimulateSupercomputertoSimulateSupercomputertoSimulateSupercomputertoSimulateNuclearTestingforU.S.EnergyNuclearTestingforU.S.EnergyNuclearTestingforU.S.EnergyNuclearTestingforU.S.EnergyDepartmentDepartmentDepartmentDepartmentCCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry以动物的食物链为例CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistryCCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry打破高性能计算的壁垒210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100210021002100单处理器共享存储局域并行机群广域并行机群GGGGFFFFLLLLOOOOPPPPSSSSCCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry并行计算机分类并行计算机分类并行计算机分类并行计算机分类CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistryFlynnFlynnFlynnFlynn分类法分类法分类法分类法•SISD（单指令流单数据流）系统•SIMD（单指令流多数据流）系统•MISD（多指令流单数据流）系统•MIMD（多指令流多数据流）系统五种物理机模型五种物理机模型五种物理机模型五种物理机模型::::实际的机器体系结构实际的机器体系结构实际的机器体系结构实际的机器体系结构—PVP(ParallelVectorProcessor,并行向量机)—SMP(SymmetricMultiprocessor,对称多处理机)—MPP(MassivelyParallelProcessor,大规模并行处理机)——COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,COW(ClusterofWorkstation,工作站机群工作站机群))))))))—DSM(DistributedSharedMemory,分布共享存储多处理机)CCCCenterofCCCComputationalCCCChemistry几种我们常见的并行计算机几种我们常见的并行计算机几种我们常见的并行计算机几种我们常见的并行计算机CPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPU…………总线或交叉开关总线或交叉开关总线或交叉开关总线或交叉开关SMSMSMSM((((((((a)SMP,a)SMP,a)SMP,a)SMP,a)SMP,a)SMP,a)SMP,a)SMP,物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间物理上单一地址空间CPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPUCPU…………定制网络定制网络定制网络定制网络LMLMLMLMLMLMLMLMLMLMLMLM虚拟分布共享存储虚拟分布共享存储虚拟分布共享存储虚拟分布共享存储((((DSM)DSM)DSM)DSM)((((((((b)DSM,b)DSM,b)DSM,b)DSM,b)DSM,b)DSM,b)DSM,b)DSM,逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间逻辑上单一地址空间P/CP/CP/CP/CP/CP/CP/CP/CP/CP/CP/CP/C…………定制定制定制定制////标准网络标准网络标准网络标准网络LMLMLMLMLMLMLMLMLMLMLMLM((((((((c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,c)Cluster/COW,物理物理物理物理物理物理物理物理////////逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间逻辑上多地址空间SMPSMPSMPSMPMPPMPPMPPMPPMPPMPPMPPMPP…………WANWANWANWANLMLMLMLMDSMDSMDSMDSMSMSMSMSM((((((((d)Grid(ClusterofClusters)d)Grid(ClusterofClusters)d)Grid(ClusterofClusters)d)Grid(C