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2015年中國高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析*

修回日期：2015-12-22

通信地址：100088北京市北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所Address:Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088,P.R.China

袁國興1，姚繼鋒2

(1.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100088;

2.中國科學(xué)院軟件研究所并行軟件與計(jì)算科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

摘要：根據(jù)2015年11月發(fā)布的中國高性能計(jì)算機(jī)性能TOP100排行榜的數(shù)據(jù)，對國內(nèi)高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀從總體性能、制造商、行業(yè)領(lǐng)域等方面進(jìn)行了討論分析，同時(shí)對未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算機(jī)；性能；排行榜；測評技術(shù)

1引言

在國際上，自1993年起每年都會按Linpack的測試性能公布在世界范圍內(nèi)已安裝的前500臺高性能計(jì)算機(jī)排行[1]，這已成為高性能計(jì)算機(jī)研制生產(chǎn)、市場發(fā)展、應(yīng)用交流和趨勢分析預(yù)測的重要參考。2002年，中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)軟件分會首次發(fā)布中國高性能計(jì)算機(jī)排行榜，并在隨后每一年的10月末或11月初公布當(dāng)年我國高性能計(jì)算機(jī)TOP100排行榜[2,3]。在過去的十余年間，由中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)軟件分會聯(lián)合中國計(jì)算機(jī)學(xué)會高性能計(jì)算專業(yè)委員會與國家863高性能計(jì)算機(jī)評測中心發(fā)布的中國HPC TOP100排行榜，為我國高性能計(jì)算機(jī)的研制及在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用推廣做出了顯著的貢獻(xiàn)。

2015年11月11日，最新一期中國HPC TOP100排行榜在江蘇無錫召開的HPC China 2015年年會上發(fā)布。本文基于最新排行榜數(shù)據(jù)，對我國高性能計(jì)算機(jī)的性能、制造廠商、體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行了討論分析。

2總體性能分析

2015年，所有中國HPC TOP100入榜系統(tǒng)的Linpack測試值均超過360 TFLOPS，其中Linpack測試值超過1 PFLOPS的系統(tǒng)數(shù)量不變，仍為3臺，全部由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制，分別為部署于國家超級計(jì)算廣州中心的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)(Linpack值為33.863 PFLOPS)、部署于國家超級計(jì)算天津中心的“天河一號”A系統(tǒng)(Linpack值為2.566 PFLOPS)和部署于山西呂梁云計(jì)算中心的天河二號-呂梁超級計(jì)算機(jī)(Linpack值為2.071 PFLOPS)。

和2014年相比，2015年中國HPC TOP100榜單的前6名沒有變化，第7名即今年新部署的最大規(guī)模系統(tǒng)為曙光公司研制、部署于中國科學(xué)院大氣物理研究所的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置Si-Cube，該系統(tǒng)共有1 038個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，配備2 076顆Intel Xeon E5-2680 2.5 GHz (12核心)CPU，總浮點(diǎn)計(jì)算性能為996 TFLOPS，Linpack測試值為738 TFLOPS。第8～10名同樣均為2015年新增系統(tǒng)，分別由浪潮和曙光公司研制，均部署于互聯(lián)網(wǎng)公司。

值得一提的是，自2002年榜單發(fā)布以來，今年是首次由國產(chǎn)系統(tǒng)包攬前10名。完整的前10名榜單如表1所示。

Table 1　The top 10 systems of China HPC Top100 in 2015

2015年，作為入榜門檻的第100名系統(tǒng)是聯(lián)想公司研制、部署于北京大學(xué)的Lenovo Intelligent Cluster系統(tǒng)，其Linpack測試性能為360.3 TFLOPS。和2014年第100名的206.2 TFLOPS相比，性能提升了1.75倍。

2015年所有100臺入榜系統(tǒng)的Linpack平均性能為850.9 TFLOPS，這是2014年平均性能682.5 TFLOPS的1.24倍(參見圖1)。

Figure 1　System performance comparisons for China HPC Top100 between 2014 and 2015圖1　2015年中國HPC TOP100系統(tǒng)與2014年系統(tǒng)性能對照

3制造商分析

圖2給出了中國HPC TOP100計(jì)算機(jī)制造商的上榜系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)。2015年，所有100臺上榜系統(tǒng)由曙光、聯(lián)想、浪潮等8家廠商或研制單位提供，其中曙光和聯(lián)想公司各以34套裝機(jī)數(shù)并列數(shù)量份額第1名。浪潮、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、IBM、HP、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心以及中國科學(xué)院過程工程研究所以23、4、2、1、1、1的裝機(jī)數(shù)量分列3至6名。

Figure 2　Vendors system share圖2　制造商系統(tǒng)份額

以裝機(jī)數(shù)量計(jì)算，2015年TOP100榜單中，國產(chǎn)三強(qiáng)曙光、聯(lián)想和浪潮合計(jì)占裝機(jī)總量的91%，和去年相比，這一數(shù)據(jù)又增加了6個(gè)百分點(diǎn)，再次佐證了我國高性能計(jì)算機(jī)研制能力的提升和市場份額的持續(xù)擴(kuò)大。

從系統(tǒng)的Linpack性能來看，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的4臺系統(tǒng)分列第1、2、3、5名，以占100臺系統(tǒng)總性能46.2%的絕對優(yōu)勢連續(xù)第6年取得總性能第一，這充分體現(xiàn)了國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)在高性能計(jì)算機(jī)研制上技術(shù)領(lǐng)先的水準(zhǔn)。

4體系結(jié)構(gòu)分析

共享內(nèi)存(SMP)、分布式共享內(nèi)存(DSM)、大規(guī)模并行處理(MPP)等多種體系架構(gòu)百花爭艷的時(shí)代已經(jīng)過去，分布式集群計(jì)算系統(tǒng)(Cluster)成為當(dāng)前高性能計(jì)算機(jī)的絕對主流，近五年來進(jìn)入TOP100榜單的系統(tǒng)無一例外，全部采用集群架構(gòu)。

從CPU類型看，全部100套系統(tǒng)中有95套采用了Intel Xeon系列處理器，占據(jù)絕對優(yōu)勢；其余分別為AMD Opteron和IBM Power處理器各2套，國產(chǎn)申威處理器1套。

從加速計(jì)算部件看，2015年有17套系統(tǒng)采用NVidia Tesla GPU或Intel Xeon Phi處理器進(jìn)行性能加速。圖3給出了過去5年配備加速計(jì)算部件系統(tǒng)數(shù)量變化?？梢钥闯?，當(dāng)前GPU仍是加速計(jì)算的主流，而Intel Xeon Phi處理器也已得到一定的應(yīng)用。

Figure 3　Variations of accelerators and network from 2011 to 2015圖3　2011~2015加速計(jì)算部件及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)變化

變化最為明顯的是系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)，千兆以太網(wǎng)從去年的70套銳減到今年的27套；相對應(yīng)地，萬兆以太網(wǎng)從16套增加到53套，成為高性能計(jì)算系統(tǒng)的主流互連網(wǎng)絡(luò)。而InfiniBand和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研發(fā)的私有網(wǎng)絡(luò)在過去5年中占據(jù)比較穩(wěn)定的份額(如圖3所示)。

5應(yīng)用領(lǐng)域分析

圖4給出了2015年中國HPC TOP100中的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)數(shù)量示意。目前，100臺系統(tǒng)分布于15個(gè)大的應(yīng)用領(lǐng)域，其中用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的系統(tǒng)最多，為24臺，其余是大數(shù)據(jù)(17臺)、電信(9臺)、云計(jì)算(8臺)、政府部門(7臺)、超算中心(6臺)、科學(xué)計(jì)算(5臺)等14個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

大數(shù)據(jù)、視頻分析和移動互聯(lián)網(wǎng)作為單獨(dú)的應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)在榜單中，這充分體現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域在過去一年內(nèi)的快速發(fā)展以及高性能計(jì)算技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的重視和應(yīng)用。尤其值得一提的是，本年度明確應(yīng)用于大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的系統(tǒng)達(dá)到17臺，均部署于大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，結(jié)合百度、阿里、騰訊等國內(nèi)領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)近來在數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的極度重視和大力投入，可以想象，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，大數(shù)據(jù)將是HPC系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

本年度用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的系統(tǒng)約50余套，和2014年相比略有減少。這是因?yàn)?，一方面，用于?shù)據(jù)挖掘及深度計(jì)算的大數(shù)據(jù)類系統(tǒng)以及視頻分析、信息安全類系統(tǒng)從計(jì)算方式上看更接近傳統(tǒng)的科學(xué)與工程計(jì)算；另外一方面，部署于科研院所、專用于科學(xué)計(jì)算的系統(tǒng)今年有顯著增加，除了前文提及的部署于中國科學(xué)院大氣物理研究所和北京大學(xué)的系統(tǒng)外，還有中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心、東北大學(xué)等科研院所的新系統(tǒng)入榜。

整體而言，2015年我國高性能計(jì)算應(yīng)用在廣度和深度上均有顯著提升。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，表現(xiàn)為大數(shù)據(jù)應(yīng)用的急速崛起；而在傳統(tǒng)科學(xué)與工程計(jì)算領(lǐng)域，則以地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置這一為單一學(xué)科方向服務(wù)系統(tǒng)的部署為顯著標(biāo)志。

6中國HPC TOP100榜單的擬定和發(fā)布

中國HPC TOP100榜單由中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)軟件分會領(lǐng)銜發(fā)布，14年來，在國內(nèi)外有著廣泛的影響力。正由于其重要性，發(fā)布單位及四名署名專家對榜單的公開、公平和公正性高度重視，設(shè)立專項(xiàng)工作組負(fù)責(zé)榜單相關(guān)工作。一般而言，榜單的擬定及發(fā)布主要由如下幾個(gè)步驟組成：

(1)數(shù)據(jù)搜集。每年八月末或九月初，工作組向國內(nèi)主要科研院所、HPC用戶及系統(tǒng)廠商或研制單位發(fā)送數(shù)據(jù)征集通知，搜集本年度HPC系統(tǒng)數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)必須在指定時(shí)間(10月25日23:59)前完成上報(bào)，2015年共搜集候選系統(tǒng)數(shù)據(jù)140余套。

(2)數(shù)據(jù)核驗(yàn)。HPC TOP100榜單是依據(jù)Linpack測試值進(jìn)行排序，工作組對候選系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)(除Linpack值外，還包括系統(tǒng)配置、部署地信息、峰值等)進(jìn)行核驗(yàn)，其中對于排名前5的候選系統(tǒng)，發(fā)布單位將組織專家團(tuán)隊(duì)赴系統(tǒng)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地審核。對不符合要求的數(shù)據(jù)，工作組將要求數(shù)據(jù)提交方進(jìn)行核準(zhǔn)；對失真數(shù)據(jù)，工作組將予以剔除，并希望數(shù)據(jù)提交方予以改正。

(3)榜單擬定及審核。工作組于10月末形成初步榜單，隨后召開中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學(xué)軟件分會常務(wù)理事會，由與會專家對本年度榜單進(jìn)行審議，經(jīng)確認(rèn)通過后形成本年度正式榜單。

(4)榜單發(fā)布。中國HPC TOP100榜單將在每年的全國高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會(HPC China)會議首次發(fā)布，隨后在榜單官方網(wǎng)站(http://www.hpctop100.cn)發(fā)布完整榜單。

Figure 4　Application area system share圖4　TOP100系統(tǒng)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的分布

7結(jié)束語

2015年中國高性能計(jì)算機(jī)繼續(xù)呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，無論是性能、應(yīng)用領(lǐng)域還是應(yīng)用規(guī)模均有著長足發(fā)展。其主要態(tài)勢包括：

(1)期待中的100P系統(tǒng)今年未能公布，前6名系統(tǒng)保持不變，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)繼續(xù)包攬前3名系統(tǒng)；

(2)HPC應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大，大數(shù)據(jù)、視頻分析、移動互聯(lián)網(wǎng)等均成為高性能計(jì)算系統(tǒng)的用武之地；

(3)無論是傳統(tǒng)科學(xué)與工程計(jì)算，還是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，HPC應(yīng)用均向縱深發(fā)展，以解決更復(fù)雜、更龐大、更有挑戰(zhàn)性的計(jì)算問題；

(4)聯(lián)想、曙光、浪潮國產(chǎn)三強(qiáng)在市場份額和系統(tǒng)規(guī)模上均持續(xù)前進(jìn)，我國高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢喜人。

但需要注意的是，盡管高性能計(jì)算系統(tǒng)和應(yīng)用領(lǐng)域及規(guī)模均有發(fā)展，但在應(yīng)用的效率即計(jì)算軟件如何盡可能發(fā)揮硬件的計(jì)算性能上，仍有大量的工作需要完成。專業(yè)第三方[4]對大量常用高性能計(jì)算應(yīng)用(如VASP、WRF、BLAST、Fluent等)的統(tǒng)計(jì)分析顯示，絕大部分應(yīng)用實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均浮點(diǎn)計(jì)算性能不到其運(yùn)行過程中最高計(jì)算性能的10%。

最后，圖5 給出了2002～2015年共14年來TOP100數(shù)據(jù)變化?？梢钥吹?，近十年來，第一名系統(tǒng)受國家相關(guān)科研計(jì)劃影響，其性能呈跳躍式發(fā)展，計(jì)劃中的100P系統(tǒng)已經(jīng)呼之欲出。最后一名性能則呈規(guī)律性指數(shù)增長，每年約為前一年的2～3倍。

Figure 5　China HPC TOP 100,from 2002 to 2015圖5　2002～2015 TOP100數(shù)據(jù)

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[5]北京并行科技有限公司[EB/OL].[2015-10-13].http://www.paratera.com.

袁國興(1938-),男，江蘇武進(jìn)人，研究員，研究方向?yàn)榇笠?guī)?？茖W(xué)與工程計(jì)算的方法與軟件。E-mail:ygx@iapcm.ac.cn

YUAN Guo-xing,born in 1938,research fellow,his research interests include large scale scientific and engineering computing methods and software development.

姚繼鋒(1976-),男，江蘇泰興人，博士，高級工程師，研究方向?yàn)椴⑿兴惴ㄅc并行軟件。E-mail:jifeng@iscas.ac.cn

YAO Ji-feng,born in 1973,PhD,senior engineer,his research interests include parallel algorithm, and parallel software.

State of the art analysis of China HPC 2015

YUAN Guo-xing1,YAO Ji-feng2

(1.Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088;

2.Laboratory of Parallel Computing,Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Abstract:In this paper,according to the latest China HPC TOP100 rank list released by SAMSS in early November,we present the overall performance trends of China HPC TOP100 and TOP10 of 2015 from the aspects of overall performance,manufacturers,and application areas.

Key words:high performance computer;performance;rank list;system benchmarking technologies

作者簡介:

doi:10.3969/j.issn.1007-130X.2015.12.001

中圖分類號：TP38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：*2015-11-12;

文章編號：1007-130X(2015)12-2195-05