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高性能计算数值模拟框架软件研究进展.docx
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高性能计算数值模拟框架软件研究进展.docx
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引 言
随着大数据信息时代的到来,高性能计算逐渐成为所有科学和工程领域进
行深入研究的关键工具,且为各种科学问题提供可信赖的计算结果。全球超级
计算机的计算能力呈指数增长,2020 年 11 月 TOP500 排名
[1]
,日本 Fugaku(富
岳)成为世界上最快的超级计算机,它理论峰值浮点性能达到 537PFLOPS,实测
Linpack 性能达到 442PFLOPS。而进入 TOP500 的门槛已提升到 1.316PF,未
来即将进入 E 级计算时代。我国超级计算机在最近十年得到迅速发展,2013 年
6 月天河二号位于 TOP500 的榜首,此后连续六次在世界榜上排名第一,目前排
名世界第六。而神威•太湖之光从 2016 年 6 月到 2017 年 11 月,连续四次在世
界五百强排名第一,目前排名世界第四。我国高性能计算发展历程详见
[2,3]
。根
据我国当前的项目计划,在未来 2-3 年,神威系列、天河系列、曙光系列均有计
划推出 E 级计算机。
得益于超级计算机的发展,我国在材料化学、高能物理与核物理、生物、
大气海洋环境、宇宙学等领域,科学与工程数值模拟的能力得到显著提升。基
于“神威•太湖之光”超级计算机,我国科研团队分别于 2016 年和 2017 年获得国
际高性能计算应用领域最高“戈登•贝尔”奖,实现我国在高性能计算应用此奖项
上从无到有的突破。
伴随着超级计算机的高速发展,以及各应用领域对数值模拟能力需求的持
续提升,各领域在超级计算机上编程变得越来越困难。目前超级计算机的体系
结构越来越复杂,同构与异构并驱发展,对于各个领域的应用软件直接移植到超
级计算机上是一个巨大的挑战。同时,随着交叉学科兴起,大型并行科学计算软
件的研发越来越依赖于物理、化学、材料等应用领域和计算数学、高性能计算
领域的深度融合。2020 年“戈登•贝尔”奖获奖团队,通过在物理建模、数学方法、
机器学习以及高性能计算领域的交叉融合,取得了研究成果的重大突破。可见
在未来的发展方向上,复杂应用是呈现“多时空尺度融合,多物理过程融合”的建
模特征。
如图 1 所示,数值应用程序由三个层级组成。第一层是高性能实现的计算
层,包括数据结构,并行化策略,负载均衡,I/O 通信等;第二层是数值算法的数学
层,包括实现成熟的数值算法,实现快速解法器,计算时间积分等;第三层是应用
程序模型的物理层,涉及到实际物 理模型,物理领域特定的算法,领域专家经验
等。高性能计算层和数学层属于领域通用技术,可以在多个应用程序中复用。
这两层可以集成到面向对象的编程接口的编程框架中。利用这些编程框架,可
以串行编写应用程序,而无需 HPC 实现的详细信息,应用领域专家不需要特意
学习计算机体系结构和并行技术,就可以高效的在超级计算机上开发和移植领
域应用软件。
图 1
图 1 高性能数值模拟应用的典型层级划分
Fig.1 Typical hierarchical division of high-performance numerical
simulation applications
数 值 模 拟 可 以 采 用 不 同 的 数 值 解 法 ,例 如 有 限 差 分 法 (FDM) 、 有 限 元 法
(FEM)、有限体积法(FVM)等,这些数值解法主要区别在于区域离散、方程离散、
求解离散方程这三个方面。这些数值解法的对象都是离散区域的网格,根据离
散网格的不同,简单分为结构网格、非结构网格和无网格组合几何,所以大多数
框架软件也是针对上述几种网格进行分类和研制。目前国内外已经有很多成熟
的框架软件,2014 年美国 John Bell 教授等人针对结构网格应用编程框架进行
概况总结
[4]
。2015 年北京应用物理与计算数学研究所的莫则尧研究员介绍了我
国编程框架的研发进展
[5]
。本文在上述工作的基础上,对国内外编程框架的现状
进 行 总 结 ,主 要 关 注 结 构 网 格 和 非 结 构 网 格 的 发 展 ,重 点 关 注 我 国 框 架 软 件
JASMIN
[6]
,JAUMIN
[7,8]
,PHG
[9,10]
,SC_Tangram
[11]
的研发进展,最后展望了编程框
架未来发展。
1 国外编程框架的研发进展
面向数值模拟的高性能编程框架研究起于二十世纪九十年代。美国在此方
面投入大量人力和财力展开研究,研制出一系列面向高性能计算机的框架软件,
并成功运用到计算材料、计算化学、大气环境等方面。欧盟方面,德国研制出
针对有限元计算领域的框架软件。本段主要关注国外编程框架的研发进展,从
结构网格和非结构网格两方面总结。
1.1 结构网格框架
结构网格编程框架最为普遍。针对结构自适应网格(SAMR)
[12]
,目前已经有
一系列的框架软件。SAMR 框架软件主要有两类:第一类专注于特定领域,增
加 了 与 这 些 应 用 程 序 相 关 的 功 能 模 块 和 物 理 模 型 模 块 , 例 如 AstroBEAR
[13]
,
CRASH
[14]
, Cactus
[15]
, Enzo
[16]
, FLASH
[17]
, Overture
[18]
, PLUTO
[19]
, Uintah
[20]
;另
一类追求更通用的功能,为各种应用程序提供构建模块,同时允许使用该框架构
建特定领域的代码,例如 BoxLib
[21,22]
,Chombo
[23]
,AMReX
[24,25]
,SAMRAI
[26]
。下面
我们分别对国外主流的结构网格编程框架进行介绍,且表格 1 对这些编程框架
进行了总结。
表 1 国外主流的结构网格编程框架概览表
Table 1 Overview of main structured grid programming frameworks
abroad
名称
开发
者
官网
应用
领域
并行
异构
特点
Boxli
b
劳伦
斯伯
克利
国家
实验
室
(LBNL
)
https://github.com/BoxLib-
Codes/Box-Lib
流体
动力
学等
MPI/OpenMP 混合
并行
已停
止维
护
Cho
mbo
劳伦
斯伯
克利
国家
实验
https://commons.lbl.gov/dis
play/chombo
可求
解嵌
入式
边界
的可
MPI/OpenMP 混合
并行
CU
DA
具有
内置
的诊
断程
序,可
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