張 焱， 鄧伯軍， 王 勤

（南京航空航天大學a.信息化處；b.馬克思主義學院；c.通用航空飛行科室，南京 210016）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)信息爆炸式增長，各領域研究問題的計算量也大幅提升［1］，科學研究越來越依賴于高性能計算資源［2］。2022 年國務院發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》文件中就曾明確指出，要加快構建算力、算法、數(shù)據(jù)、應用資源協(xié)同的全國一體化數(shù)據(jù)中心體系，推進云網(wǎng)協(xié)同發(fā)展，提升數(shù)據(jù)中心跨網(wǎng)絡、跨地域的數(shù)據(jù)交互能力。

科學計算已經(jīng)成為與理論研究和科學實驗并列的第3 種科學研究方法［3］。高性能計算（High Performance Computing，HPC）作為一種由數(shù)千甚至更多處理器組成的能提供高響應效率的并行處理系統(tǒng)，能計算普通計算機和服務器不能完成的大型復雜數(shù)據(jù)運算［4］，是開展科學計算的主要基礎設施，是國家科技發(fā)展水平和創(chuàng)新能力的重要標志。如高性能計算能以極低的成本模擬高溫、高壓以及強磁場等極端環(huán)境下研究對象的變化，反復運行來獲取實驗全過程、全時空的變化信息，并對各種條件下的獲得所有數(shù)據(jù)進行比較，這些都是真實實驗無法達到或?qū)嶒灤鷥r過于昂貴而被認為不值得的［5］。

1 高校高性能計算平臺建設背景

1.1 高校建設高性能計算平臺的必要性

高校作為科學研究的主力軍之一，要建成世界一流大學，關鍵的一條標準就是科研成果和學術聲譽。商業(yè)上的計算需求，有各種各樣的商業(yè)解決方案可以滿足，但高?？蒲泄ぷ骱芏嗾也坏礁m合商業(yè)云計算方案，難以馬上落地成技術。因此，這時學校如果有超算平臺，就能支持很多基礎科研開展，實施起來更方便靈活。

我校作為一所包含理、工、管、經(jīng)、哲、法、文、藝等多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合研究型大學［6］，其中，理、工等主要學科對高性能計算有著迫切需求［7］，特別是在航空航天、動力工程、機械設計、電氣工程、電子信息、材料科學、人工智能以及數(shù)理分析等學科領域。目前有多個科研團隊承擔著國家自然科學基金和軍事攻關等研究項目，這都依賴于高性能計算平臺來承擔海量的計算任務［6］。

高校不少課題組均擁有一定數(shù)量的計算機，但這些計算機由各單位獨立管理與使用，缺乏專門的機房及維護人員［5］，導致師生不僅需專注于科研還需考慮機房基礎設施（如空調(diào)、配電等）建設和儀器正常運行；此外，分散配置的計算機缺乏資源共享，導致多數(shù)設備重復購置，沒有科學合理地利用資源，投資效益高。

基于以上情況，建設滿足高校學科發(fā)展的高性能計算平臺，以“服務用戶”為理念，充分發(fā)揮集群性能，不斷探索平臺在建設和管理領域的需求與創(chuàng)新，具有舉足輕重的作用。

1.2 高校建設高性能計算平臺的優(yōu)勢

隨著高性能計算需求的增加以及國家、政府、科研機構等對科學計算的大力投入，各地的超算平臺如雨后春筍一般蓬勃發(fā)展。相比于公共超算平臺通用性強、易于擴展的優(yōu)點，高校高性能計算平臺在數(shù)據(jù)傳輸速率、溝通交互成本以及數(shù)據(jù)安全可控等方面均具有其獨特的優(yōu)勢。

（1）數(shù)據(jù)傳輸效率高。高校校園網(wǎng)絡環(huán)境良好，數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)完善。隨著信息化水平的提升以及學校對信息化的投入，多數(shù)高?；谝恍６嗟囟嘈^(qū)的辦學格局，在各校區(qū)之間實現(xiàn)全光網(wǎng)絡互聯(lián)，校園主要區(qū)域?qū)崿F(xiàn)F5G與WiFi6 網(wǎng)絡全覆蓋，進一步提升網(wǎng)絡的實時性和覆蓋度。其中，我校在各學院建立計算室與高性能計算平臺直連，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術及支持海量設備鏈接的5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)對各設備的高效管理，能提供精準的資源覆蓋，實現(xiàn)快速接入。

（2）溝通交互成本低。高校高性能計算平臺建設的出發(fā)點是服務師生，助力科學研究與人才培養(yǎng)，因此通常設有專門的管理服務中心，聚焦用戶具體業(yè)務而非平臺本身。校內(nèi)師生可直接與管理人員進行交流，以期平臺提供差異化服務。同時在作業(yè)運行期間，任何與平臺有關的問題均可直接向管理人員反映，溝通交互成本低，應急措施快速。

（3）數(shù)據(jù)安全可控。高校信息系統(tǒng)安全穩(wěn)定，網(wǎng)絡安全管理制度體系完善，用戶權限管理嚴格，任何使用平臺的校內(nèi)用戶均需與校內(nèi)統(tǒng)一身份認證平臺對接，數(shù)字校園、智慧校園的開展，有效保障了數(shù)據(jù)的機密性和完整性，數(shù)據(jù)安全可靠。

2 高性能計算平臺簡介

為支持學?！半p一流”建設，保障學校人才培養(yǎng)、科學研究、學科建設等計算服務需求，自2018 年開始規(guī)劃建設高性能計算平臺。截至2022 年，平臺已陸續(xù)投入使用多套集群，現(xiàn)有計算總核心數(shù)達18 996 個，峰值計算能力為3Pflops，存儲容量達3PB。集群系統(tǒng)架構如圖1 和圖2 所示：

圖2 高性能計算集群二期系統(tǒng)架構

3 平臺持續(xù)發(fā)展建設模式探索

基于高校高性能計算平臺的優(yōu)勢，為進一步提升平臺的服務支撐能力，吸引校內(nèi)用戶廣泛使用，保障平臺穩(wěn)定、安全、高效運行。學校利用信息化手段，從管理、技術、服務以及合作體系4 個方面出發(fā)，進一步探索平臺協(xié)同化建設管理模式。

3.1 完善管理制度，打造多樣開放氛圍

管理制度體系建設是高校高性能計算平臺開放共享的基礎性、長期性工作，需要與高校學科發(fā)展規(guī)劃和文化價值理念相融合，隨著平臺發(fā)展不斷進行完善與修訂，持續(xù)進行優(yōu)化。

高性能計算中心制定了“南京航空航天大學高性能計算平臺服務管理辦法”“南京航空航天大學高性能計算中心機房安全管理規(guī)定”“高性能計算平臺用戶使用手冊”等一系列規(guī)章制度來規(guī)范平臺的開放政策和使用模式［6］。建立“產(chǎn)出導向、鼓勵創(chuàng)新”的激勵機制，制定“平臺共享實施細則”來擴展平臺覆蓋范圍，提高平臺利用效率，鼓勵用戶產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)成果。如設立青年教師專項來為符合要求的青年教師提供免費機時支持，緩解青年教師科研經(jīng)費壓力，幫助青年教師成長；設立實踐教學專項，滿足相關課程的實踐需求，助力教學實施；設立平臺共建專項，鼓勵用戶研究平臺性能優(yōu)化技術，提升平臺服務水平；設立成果獎勵專項，為依托平臺開展高質(zhì)量研究、產(chǎn)出高質(zhì)量成果的用戶提供機時獎勵。

3.2 升級平臺技術，優(yōu)化管理使用流程

為保證平臺7 ×24 h 持續(xù)穩(wěn)定運行，機房配有一整套智能動環(huán)管理系統(tǒng)［8］，包括：溫濕度監(jiān)控、配電間監(jiān)控、漏水監(jiān)測、空調(diào)監(jiān)控、短信提醒、雷電防控、消防報警等。并利用信息化手段，與管理人員通信設備相連，對機房存在的故障問題及時發(fā)送預警信息，提醒管理人員進行相應處理，實現(xiàn)疫情常態(tài)化防控下的遠程機房監(jiān)控。圖3、4 分別為高性能計算平臺的動環(huán)管理系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3 高性能計算平臺動環(huán)管理系統(tǒng)

圖4 高性能計算平臺實時監(jiān)控系統(tǒng)

平臺堅持“客戶思維”，簡化用戶開戶、技術協(xié)議簽訂以及資源申請流程，改紙質(zhì)為線上辦事大廳辦理［9］，讓“數(shù)據(jù)多跑路，師生少跑腿”，提高平臺使用效率，降低管理成本。技術協(xié)議簽署流程如圖5 所示，平臺開放共享專項申請流程如圖6 所示。

圖5 技術協(xié)議簽署流程

圖6 平臺開放共享專項申請流程

除此之外，平臺技術人員還創(chuàng)新性的使用圖形化管理系統(tǒng)，讓用戶無須撰寫復雜的腳本即可提交和運行作業(yè)，方便用戶使用。同時不斷升級動態(tài)資源調(diào)度技術，對項目周期短，社會價值高的任務優(yōu)先提供資源；對項目周期長，平臺性能要求低的任務降低作業(yè)優(yōu)先級，保證用戶公平合理地共享集群資源，提高系統(tǒng)利用率和吞吐率［10］。

3.3 注重服務水平，提供差異化高性能服務

高性能計算平臺與其他儀器設備不同，沒有固定的操作規(guī)程，用戶不同，具體需求則不同［11］。平臺管理人員根據(jù)用戶類別進行細分，創(chuàng)辦難度不等的培訓班，撰寫對應《用戶使用手冊》［6］，提供更精準的差異化服務。針對剛開始接觸平臺的新用戶加強宣傳、培訓與服務，幫助其盡快掌握一些高性能計算的基礎知識［12］；針對科研產(chǎn)出率高的用戶進行重點服務與支持，甚至特別定制適合用戶使用的操作系統(tǒng)［12］；針對自己開發(fā)軟件的用戶提供深入開發(fā)幫扶［12］，鼓勵中心技術人員積極參與，協(xié)同創(chuàng)新。

平臺還定期與用戶組織交流會，了解用戶在使用過程中所遇難題及期望平臺所能提供的服務，分析撰寫“用戶常見問題與解答”等技術文檔［6］，幫助用戶了解高性能計算的專業(yè)知識，并逐步升級平臺性能，提供更優(yōu)質(zhì)的服務。

3.4 爭取多方合作，打造良性業(yè)務支撐

為培養(yǎng)具有較高學術水平和創(chuàng)新能力的高性能計算人才，提高后備儲蓄力量，平臺與研究高性能計算相關的課題組和學院展開合作，為他們免費提供場地、實驗數(shù)據(jù)和設備資源，組成創(chuàng)新開發(fā)團隊，共同探索資源調(diào)度方法以及軟硬件協(xié)同配置方案。同時，在團隊老師的帶領下共同申報國家、省部級重大項目，尋找最佳平臺建設方案，達到合作共贏，協(xié)同發(fā)展的新態(tài)勢。

同時，平臺管理人員還將當前領域內(nèi)的重大熱點引入校園，定期組織有關的學術報告，讓學生對新興熱點技術有所了解［13］；開展高性能計算大賽，鼓勵全校師生積極參與［14］，豐富校園學術氛圍，推廣平臺使用；在滿足校內(nèi)用戶服務需求的前提下，與大規(guī)模超算平臺互動，實現(xiàn)資源的有效整合，從資源池中獲取支持，保證高校計算平臺的可持續(xù)發(fā)展，自我造血；加強與兄弟院校、研究所、企業(yè)之間的交流合作［6］，充分發(fā)揮各專業(yè)聯(lián)合優(yōu)勢，實現(xiàn)“產(chǎn)、教、學、研”多元一體化共享平臺建設，為國家和地方經(jīng)濟提供計算服務。

4 高校高性能計算平臺使用情況

高性能計算平臺自2020 年6 月投入使用以來，師生廣泛參與，覆蓋了全校所有理工科學院和專業(yè)技術部門，2021 年用戶數(shù)即超過400 人，完成作業(yè)量超過90 萬件，服務項目數(shù)超290 個，其中與航空航天相關的學科使用尤為明顯。如圖7、8 分別為2021 年學校高性能計算平臺的用戶分布和項目分布情況。

圖7 2021年南航高性能計算平臺用戶分布

圖8 2021年南航高性能計算平臺項目分布

同時，高性能計算平臺作為計算機科學與技術學院一級學科的重要平臺以及學?；I建“先進計算產(chǎn)業(yè)學院”的重要載體，面向全校師生開展“跨學科實驗室探索”教學活動，為近1 000 名學生提供教學支撐，助力人才培養(yǎng)。

5 結 語

高性能計算平臺建設是新世紀高校學科建設和人才培養(yǎng)的重要組成部分［15］。學校從高校平臺數(shù)據(jù)傳輸效率高、溝通交互成本低、數(shù)據(jù)安全可控等優(yōu)勢出發(fā)，以信息化技術為手段，進一步探索平臺在管理體系、技術體系、服務體系以及合作體系四大方面的創(chuàng)新，以期提高平臺開放共享能力，為用戶提供更好的服務。實踐結果表明，協(xié)同化的平臺建設模式能有效提高資源的利用效率和支撐學校人才培養(yǎng)。