2015年中國高性能計算機發(fā)展現狀分析*

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2015年中國高性能計算機發(fā)展現狀分析*

修回日期：2015-12-22

通信地址：100088北京市北京應用物理與計算數學研究所Address:Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088,P.R.China

袁國興1，姚繼鋒2

(1.北京應用物理與計算數學研究所，北京 100088;

2.中國科學院軟件研究所并行軟件與計算科學實驗室，北京 100190)

摘要：根據2015年11月發(fā)布的中國高性能計算機性能TOP100排行榜的數據，對國內高性能計算機的發(fā)展現狀從總體性能、制造商、行業(yè)領域等方面進行了討論分析，同時對未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：高性能計算機；性能；排行榜；測評技術

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已安裝的前500臺高性能計算機排行[1]，這已成為高性能計算機研制生產、市場發(fā)展、應用交流和趨勢分析預測的重要參考。2002年，中國軟件行業(yè)協會數學軟件分會首次發(fā)布中國高性能計算機排行榜，并在隨后每一年的10月末或11月初公布當年我國高性能計算機TOP100排行榜[2,3]。在過去的十余年間，由中國軟件行業(yè)協會數學軟件分會聯合中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會與國家863高性能計算機評測中心發(fā)布的中國HPC TOP100排行榜，為我國高性能計算機的研制及在眾多領域的應用推廣做出了顯著的貢獻。

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據，對我國高性能計算機的性能、制造廠商、體系結構及應用領域等進行了討論分析。

2總體性能分析

2015年，所有中國HPC TOP100入榜系統的Linpack測試值均超過360 TFLOPS，其中Linpack測試值超過1 PFLOPS的系統數量不變，仍為3臺，全部由國防科學技術大學研制，分別為部署于國家超級計算廣州中心的“天河二號”超級計算機(Linpack值為33.863 PFLOPS)、部署于國家超級計算天津中心的“天河一號”A系統(Linpack值為2.566 PFLOPS)和部署于山西呂梁云計算中心的天河二號-呂梁超級計算機(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)模系統為曙光公司研制、部署于中國科學院大氣物理研究所的地球系統數值模擬裝置Si-Cube，該系統共有1 038個計算節(jié)點，配備2 076顆Intel Xeon E5-2680 2.5 GHz (12核心)CPU，總浮點計算性能為996 TFLOPS，Linpack測試值為738 TFLOPS。第8～10名同樣均為2015年新增系統，分別由浪潮和曙光公司研制，均部署于互聯網公司。

值得一提的是，自2002年榜單發(fā)布以來，今年是首次由國產系統包攬前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名系統是聯想公司研制、部署于北京大學的Lenovo Intelligent Cluster系統，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系統與2014年系統性能對照

3制造商分析

圖2給出了中國HPC TOP100計算機制造商的上榜系統統計。2015年，所有100臺上榜系統由曙光、聯想、浪潮等8家廠商或研制單位提供，其中曙光和聯想公司各以34套裝機數并列數量份額第1名。浪潮、國防科學技術大學、IBM、HP、國家并行計算機工程技術研究中心以及中國科學院過程工程研究所以23、4、2、1、1、1的裝機數量分列3至6名。

Figure 2　Vendors system share圖2　制造商系統份額

以裝機數量計算，2015年TOP100榜單中，國產三強曙光、聯想和浪潮合計占裝機總量的91%，和去年相比，這一數據又增加了6個百分點，再次佐證了我國高性能計算機研制能力的提升和市場份額的持續(xù)擴大。

從系統的Linpack性能來看，國防科學技術大學的4臺系統分列第1、2、3、5名，以占100臺系統總性能46.2%的絕對優(yōu)勢連續(xù)第6年取得總性能第一，這充分體現了國防科學技術大學在高性能計算機研制上技術領先的水準。

4體系結構分析

共享內存(SMP)、分布式共享內存(DSM)、大規(guī)模并行處理(MPP)等多種體系架構百花爭艷的時代已經過去，分布式集群計算系統(Cluster)成為當前高性能計算機的絕對主流，近五年來進入TOP100榜單的系統無一例外，全部采用集群架構。

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

從加速計算部件看，2015年有17套系統采用NVidia Tesla GPU或Intel Xeon Phi處理器進行性能加速。圖3給出了過去5年配備加速計算部件系統數量變化?？梢钥闯?，當前GPU仍是加速計算的主流，而Intel Xeon Phi處理器也已得到一定的應用。

Figure 3　Variations of accelerators and network from 2011 to 2015圖3　2011~2015加速計算部件及系統網絡變化

變化最為明顯的是系統互連網絡，千兆以太網從去年的70套銳減到今年的27套；相對應地，萬兆以太網從16套增加到53套，成為高性能計算系統的主流互連網絡。而InfiniBand和國防科學技術大學自主研發(fā)的私有網絡在過去5年中占據比較穩(wěn)定的份額(如圖3所示)。

5應用領域分析

圖4給出了2015年中國HPC TOP100中的行業(yè)應用領域的系統數量示意。目前，100臺系統分布于15個大的應用領域，其中用于互聯網服務的系統最多，為24臺，其余是大數據(17臺)、電信(9臺)、云計算(8臺)、政府部門(7臺)、超算中心(6臺)、科學計算(5臺)等14個應用領域。

大數據、視頻分析和移動互聯網作為單獨的應用領域出現在榜單中，這充分體現了相關領域在過去一年內的快速發(fā)展以及高性能計算技術在相關領域的重視和應用。尤其值得一提的是，本年度明確應用于大數據領域的系統達到17臺，均部署于大型互聯網企業(yè)，結合百度、阿里、騰訊等國內領先的互聯網企業(yè)近來在數據挖掘、深度學習等領域的極度重視和大力投入，可以想象，在未來相當長的時間內，大數據將是HPC系統的主要應用領域之一。

本年度用于互聯網服務的系統約50余套，和2014年相比略有減少。這是因為，一方面，用于數據挖掘及深度計算的大數據類系統以及視頻分析、信息安全類系統從計算方式上看更接近傳統的科學與工程計算；另外一方面，部署于科研院所、專用于科學計算的系統今年有顯著增加，除了前文提及的部署于中國科學院大氣物理研究所和北京大學的系統外，還有中國科學院計算機網絡信息中心、東北大學等科研院所的新系統入榜。

整體而言，2015年我國高性能計算應用在廣度和深度上均有顯著提升。在互聯網領域，表現為大數據應用的急速崛起；而在傳統科學與工程計算領域，則以地球系統數值模擬裝置這一為單一學科方向服務系統的部署為顯著標志。

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)協會數學軟件分會領銜發(fā)布，14年來，在國內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，設立專項工作組負責榜單相關工作。一般而言，榜單的擬定及發(fā)布主要由如下幾個步驟組成：

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

(2)數據核驗。HPC TOP100榜單是依據Linpack測試值進行排序，工作組對候選系統的各項參數(除Linpack值外，還包括系統配置、部署地信息、峰值等)進行核驗，其中對于排名前5的候選系統，發(fā)布單位將組織專家團隊赴系統現場進行實地審核。對不符合要求的數據，工作組將要求數據提交方進行核準；對失真數據，工作組將予以剔除，并希望數據提交方予以改正。

(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)協會數學軟件分會常務理事會，由與會專家對本年度榜單進行審議，經確認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算學術年會(HPC China)會議首次發(fā)布，隨后在榜單官方網站(http://www.hpctop100.cn)發(fā)布完整榜單。

Figure 4　Application area system share圖4　TOP100系統在不同應用領域的分布

7結束語

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

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

(2)HPC應用范圍繼續(xù)擴大，大數據、視頻分析、移動互聯網等均成為高性能計算系統的用武之地；

(3)無論是傳統科學與工程計算，還是互聯網領域，HPC應用均向縱深發(fā)展，以解決更復雜、更龐大、更有挑戰(zhàn)性的計算問題；

(4)聯想、曙光、浪潮國產三強在市場份額和系統規(guī)模上均持續(xù)前進，我國高性能計算機產業(yè)發(fā)展態(tài)勢喜人。

但需要注意的是，盡管高性能計算系統和應用領域及規(guī)模均有發(fā)展，但在應用的效率即計算軟件如何盡可能發(fā)揮硬件的計算性能上，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算應用(如VASP、WRF、BLAST、Fluent等)的統計分析顯示，絕大部分應用實際運行時的平均浮點計算性能不到其運行過程中最高計算性能的10%。

最后，圖5 給出了2002～2015年共14年來TOP100數據變化。可以看到，近十年來，第一名系統受國家相關科研計劃影響，其性能呈跳躍式發(fā)展，計劃中的100P系統已經呼之欲出。最后一名性能則呈規(guī)律性指數增長，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數據

參考文獻:附中文

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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，江蘇武進人，研究員，研究方向為大規(guī)?？茖W與工程計算的方法與軟件。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，研究方向為并行算法與并行軟件。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

文獻標志碼：A

收稿日期：*2015-11-12;

文章編號：1007-130X(2015)12-2195-05