【摘 要】虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環(huán)境。本文分析了虛擬化技術高性能計算機的應用，對虛擬化技術在高性能計算中的應用前景進行了展望。

【關鍵詞】虛擬化技術 應用 高效協(xié)同

隨著高性能計算機性價比性能的提高，其規(guī)模不斷擴大，各部件之間的關系日益復雜，對系統(tǒng)的管理和使用也變得越來越困難。為了獲得較高的性能和效率，高性能計算機系統(tǒng)軟件必須根據體系結構的特點進行定制，高性能計算應用程序也需要根據特定體系結構進行優(yōu)化。虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環(huán)境。虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環(huán)境。本文分析了虛擬化技術高性能計算機的應用，對虛擬化技術在高性能計算中的應用前景進行了展望。

一、虛擬化技術在高性能計算中的應用

從目前的研究可以看出，虛擬化技術尚未被廣泛應用于高性能計算領域，其主要原因包括以下幾個方面：

（一）虛擬化帶來的性能開銷問題。傳統(tǒng)的服務器虛擬化技術帶來額外的系統(tǒng)性能開銷。在一個虛擬化系統(tǒng)中，VMMM運行在最高特權級上，VM和Guest 0S作為VMM上的用戶級程序運行。這就導致Guest OS運行過程中遇到特權級操作時，必須內陷到VMM中。由VMM執(zhí)行。這種執(zhí)行方式需進行上下文切換，且會導致更長的設備訪問延遲，對于對系統(tǒng)性能敏感的高性能計算應用來說是難以接受的。因此，需要研究面向高性能計算機系統(tǒng)的虛擬化技術，針對應用對高性能的需求，進行VMM優(yōu)化設計。

（二）多VMM高效協(xié)同問題。面向高性能計算機系統(tǒng)的虛擬化技術不同于傳統(tǒng)的服務器虛擬化技術。傳統(tǒng)的服務器虛擬化只需要單個VMM對服務器底層硬件設備進行抽象。而在多維異構的高性能計算機系統(tǒng)中，每個節(jié)點都需要運行一個獨立的VMM，該VMM只對單個節(jié)點進行虛擬化。整個系統(tǒng)中運行了大量相互關聯的VMM。VMM之間協(xié)同工作，構成統(tǒng)一的大規(guī)模系統(tǒng)級虛擬化環(huán)境。因此，需要研究高效的VMM協(xié)同機制，其中包括大量VMM之間的協(xié)同管理、協(xié)同部署、VM跨物理節(jié)點的高效通信、VM遷移以及系統(tǒng)級容錯等技術問題。

（三）大量VM的管理問題。為了支持高性能計算應用程序的運行。可能需要一次部署運行上千個乃至上萬個的VM。傳統(tǒng)的服務器虛擬化技術只涉及少量VM的部署問題和運行時管理問題。如何支持大量VM的動態(tài)部署、根據應用需求快速分配所需的硬件資源、以較低的系統(tǒng)開銷快速啟動VM、對大量VM進行運行時管理等，都是實現高性能計算機系統(tǒng)虛擬化時需要解決的重要技術問題。

（四）編程模型和軟件環(huán)境的支持問題。傳統(tǒng)的編程模型和支持應用開發(fā)和運行的軟件環(huán)境都是直接針對非虛擬化系統(tǒng)設計的，而虛擬化技術對硬件系統(tǒng)進行了抽象，改變了用戶所見的資源組織形態(tài)，使得傳統(tǒng)的編程模型和軟件環(huán)境無法適應用戶對虛擬化系統(tǒng)的使用要求。因此，需要研究面向虛擬化高性能計算機系統(tǒng)的新型編程模型和針對虛擬化系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的配套軟件環(huán)境，如并行編譯器、鏈接器、調試優(yōu)化工具、并行函數庫等。

二、 虛擬化技術在高性能計算中的應用前景

目前，虛擬化技術已被廣泛應用于臺式電腦和服務器上，取得了很好的應用效果。相比之下，在高性能計算領域的應用還非常有限。隨著高性能計算技術的發(fā)展和對虛擬化技術研究的深入，兩者之間的結合將會變得越來越緊密，虛擬化技術也將為高性能計算領域的諸多難題提供新的解決方法。

（一）構建虛擬應用開發(fā)環(huán)境。高性能計算應用程序與運算環(huán)境關系密切，不同規(guī)模的運行環(huán)境下表現的行為也不盡相同。利用虛擬化技術，可以在小規(guī)模系統(tǒng)上構建大規(guī)模的虛擬應用開發(fā)環(huán)境，使應用程序可以在更為接近最終運行環(huán)境的系統(tǒng)環(huán)境下進行開發(fā)和優(yōu)化，開發(fā)的應用程序可以被更快、更方便地移植到大規(guī)模系統(tǒng)上運行。

（二）整合異構資源。隨著應用需求和高性能計算技術的發(fā)展，高性能計算機體系結構正在逐步向著異構化的方向發(fā)展。如何高效管理和使用異構系統(tǒng)是高性能計算系統(tǒng)軟件和應用程序開發(fā)人員面臨的主要技術難題。虛擬化技術在整合異構資源方面有其固有的優(yōu)勢。利用虛擬化技術對底層異構硬件資源進行抽象和管理，可以有效地隱藏硬件平臺的異構特性，為用戶提供一個統(tǒng)一的系統(tǒng)環(huán)境，方便用戶對異構系統(tǒng)的使用。

（三）提供定制的Appliance。不同的高性能計算應用程序需要不同的系統(tǒng)環(huán)境，如面向應用優(yōu)化的操作系統(tǒng)環(huán)境、特定版本的編譯器以及通信庫等，這使得應用程序的部署費時費力，系統(tǒng)環(huán)境也難以做到最優(yōu)化，系統(tǒng)效能得不到充分發(fā)揮。采用虛擬化技術有助于解決上述問題。虛擬化技術支持預先將定制的操作系統(tǒng)、經過優(yōu)化配置的應用運行環(huán)境和應用二進制代碼一起打包成VM映像，這種映像被稱為Appliance。通過直接部署Appliance，可以實現高性能計算應用程序的快速部署，并獲得較好的運行時性能。

（四）提高系統(tǒng)可靠性和容錯性能。隨著高性能計算機規(guī)模的不斷擴大，部件間復雜性的不斷提高，系統(tǒng)硬件故障率也不斷增大。在虛擬化的系統(tǒng)中，由于節(jié)點上各VM之問相互隔離，軟件錯誤如操作系統(tǒng)或應用程序故障只能直接影響到一個VM，甚至硬件故障如CPU、內存、設備的故障也只影響到它們所被指定到的VM。當出現故障時，通過VM遷移、快速重啟VM等方法可以重新恢復甚至于不中斷應用程序的運行。

三、結論

總之，隨著虛擬化技術的不斷發(fā)展，底層硬件越來越多地加入對虛擬化的支持，有效地降低了虛擬化的性能開銷。而高性能計算機體系結構向多層次、多粒度的異構化方向發(fā)展的趨勢也必將進一步推動高性能計算機虛擬化技術的發(fā)展。

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