关于超级计算发展战略方向的思考
Thinkings on Development Strategy of Supercomputing
Thinkings on Development Strategy of Supercomputing
作者
葛蔚(中国科学院过程工程研究所 北京 100190)
郭力(中国科学院过程工程研究所 北京 100190)
李静海(中国科学院过程工程研究所 北京 100190)
陈左宁(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
胡苏太(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
刘鑫(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
郭力(中国科学院过程工程研究所 北京 100190)
李静海(中国科学院过程工程研究所 北京 100190)
陈左宁(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
胡苏太(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
刘鑫(国家并行计算机工程技术研究中心 北京 100190)
中文关键词
超级计算;多尺度计算模式;能量最小多尺度(EMMS)范式;虚拟过程工程
英文关键词
supercomputing;multi-scale model;EMMS Paradigm;virtual process engineering
中文摘要
超级计算能力是国家科技竞争力乃至综合国力的重要标志,也是经济社会发展、国防和国家安全的重要支撑。特别是在网络化、大数据、云计算和虚拟现实迅猛发展的背景下,超级计算不但是科技发展的利器,正引发科研模式的根本变革,也将成为重要的社会基础设施,并最终深刻地改变我们的生产和生活方式。但目前超级计算正面临应用效率低、能耗高、稳定性差和难以应用等严峻挑战。基于在复杂系统多尺度模拟方面多年的探索和积累,文章提出,按照计算对象、模型、软件与硬件的逻辑和结构一致的原理优化计算机体系结构,缓解和克服商品化通用硬件系统开发中的难点,可能是突破这些瓶颈的一条具有普遍意义的途径。
英文摘要
Supercomputing power has now become an important index of science and technology competitiveness of a country, and also a great support to the economic and social development and national security. Moreover, with the drastic development of Internet, big data, cloud computing, and virtual reality technologies, supercomputing will bring about profound changes to production and life styles of modern societies. Nevertheless, contemporary supercomputing is facing grand challenges in terms of low efficiency, high power consumption, poor robustness, and difficulties in applications. General-purpose supercomputing based on commercial processors is not likely to solve the problems completely. Based on our explorations in multiscale simulation of complex systems, we suggest that keeping the structural and logical consistency between the computed system, model, software, and hardware is an effective way towards high efficiency and scalability of supercomputing in the future. In fact, multiscale structure is ubiquitous in natural and industrial systems, which is, after all, a reflection of the hierarchical nature of the physical world and is, therefore, of general significance to a wider range of applications. For classical mechanical and thermal processes, the computational complexity usually decreases with decreasing scales, while the computational cost increases exponentially. Fortunately, with reasonable coarse-graining based on meso-scale models, this cost can be reduced by several orders by developing additive discrete methods which can achieve good accuracy, efficiency, and scalability for supercomputing. On the other hand, computation at large scales can be accelerated by introducing stability constraints to the dynamics models. Multiscale computer hardware conforming to this software framework is expected to have high efficiency and speeds up the computation even further. We have already explored the feasibility of this multi-scale strategy for model, software, and hardware developments in different applications, and have achieved very encouraging results. We suggest that this strategy should be given enough considerations in the development of future supercomputers.
DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2016.06.004
作者简介
葛蔚 中科院过程工程所研究员,博士生导师。1970年3月出生,浙江杭州人。现任多相复杂系统国家重点实验室主任,"多尺度方法与介尺度科学"创新研究团队首席科学家,研究所学术委员会、学位委员会委员,中国颗粒学会理事,Chemical Engineering Science、《过程工程学报》《化学反应工程与工艺》《计算机与应用化学》《数值计算与计算机应用》编委;Particuology顾问。1992和1998年先后在哈尔滨工业大学热能工程专业获工学学士和博士学位。曾获国家自然科学基金委杰出青年基金,周光召基金会首届"杰出青年基础科学奖"、中国颗粒学会"宝洁青年颗粒学奖"、中科院首届超级计算应用奖及中科院"先进工作者"称号。主要研究对象为气固、颗粒与散料、多孔介质及纳微多相系统,内容包括流动、传递、反应及其耦合过程的介尺度机理与多尺度建模、分子模拟及离散-连续耦合模拟、高性能计算及其工业应用。提出并发展了拟颗粒模拟,以此揭示了气固流态化、气液鼓泡流动和微流动等系统中多种控制机制协调形成稳定性条件的机理,检验并扩展了多相复杂系统极值型多尺度方法。主持研制了效能比位居世界前列的Mole系列千万亿次多尺度超级计算软硬件系统,并由此建立了以实时模拟、显示和人机交互为特征的虚拟过程工程能力。先后主持国家自然科学重点基金、国家科技支撑计划和国家重大科研装备研制项目。相关研究成果已有效服务于所主持的中石油、中石化、宝钢、壳牌石油、必和必拓、通用电器、阿尔斯通、联合利华等世界500强企业的工业项目。已发表期刊论文140余篇,主持译著2本、编著4本及20余章节。多次在CHISA,ISCRE,WCPT等国际会议作Plenary或Keynote报告。E-mail:wge@ipe.ac.cn;郭力 男,中科院过程工程所研究员、中国科学院大学兼职教授。山东省济南市人,1966年出生。1981年考入中国科技大学第五期少年班,1986年毕业于中国科学技术大学计算机科学与技术系,1989年在中科院过程工程所获工学硕士学位。曾主持中科院院长特别支持项目、国家自然科学基金委重点基金项目、面上基金项目、中石化信息化项目,参与多项中科院创新研究项目、国家自然科学基金委重大研究计划子项目、国家自然科学基金委重点基金项目、基金项目等。获中科院科技进步奖二等奖和三等奖各一项,北京市科学技术进步奖三等奖一项。发表科技论文及报告80余篇,作为第一作者出版专著2部,作为第二作者出版专著1部,与他人合作出版译著1部。曾获国务院政府特殊津贴和中科院盈科优秀青年学者奖。E-mail:lguo@ipe.ac.cn;胡苏太 男,国家并行计算机工程技术研究中心高级工程师,1956年出生。长期从事计算机装备发展战略、计算机体系结构和情报研究工作。多年来,参加过多项国家重点型号工程预先研究工作。在国内各种报刊、会议上发表论文、报告50余篇,公开出版的著作有《实用网络存储技术》《英汉信息安全技术辞典》《超级计算机发展研究》等;曾获省部级科技进步奖一等奖2项、二等奖5项、三等奖5项;获全国优秀科技信息成果奖一等奖1项;刘鑫 女,国家并行计算机工程技术研究中心副研究员,2013起担任神威高性能计算机系统科学与工程计算应用平台主管设计师。1979年6月出生。2006年获中国人民解放军信息工程大学获工学博士学位,主要从事并行算法和并行应用软件的研发工作。在大型并行应用软件的多核、众核并行算法设计和优化等方面取得重要进展。曾获省部级科技进步奖一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项。发表学术论文10余篇。