高性能并行计算的发展历程

并行计算是相对于串行计算而言的，它是将一个计算任务分解成若干相对独立的子任务，然后用若干个处理器对其并行求解。使用并行计算最直接的目的就是提高问题的求解速度以快速完成原问题的解。非数值计算是相对数值计算而言的，它研究的是如何将计算科学中一些不能直接使用数学函数解决的问题并行求解。90年代开始，我带领团队系统地开展了此方面的研究，首先是奠定了所需的理论基础，并逐渐形成了完善的学科体系和应用示范。在此过程中，我们还积极倡导交叉学科研究，及时关注学科前沿技术，并且坚持学术研究要服务于国民经济主战场。在整个研究过程中，我们一方面积极开展国际学术交流，创办国际学术会议和专业期刊；另一方面坚持自力更生，研制自主可控的国产高性能计算机，创建科教平台为普及中国高性能计算机教育服务。     

网络并行计算系统发展探讨

本文通过对高性能计算机的发展历程、现有高性能计算机的体系结构以及当今市场对高性能计算机的需求进行分析,论述了网络并行计算系统得到广泛应用的必然趋势,并以NOW计划为例分析了并行网络计算系统的关键技术。     

多线程技术与并行计算

1 引言自七十年代以来,多线程技术已逐渐渗透到计算机体系结构的方方面面。出现了多线程结构的并行机,如Tera(1990),Stanford的DASH(1988),MIT的Alewife(1989),等;在操作系统方面,CMU的Mach/OS(1986),Solaris、AIX、Linux等Unix操作系统,以及目前流行的PC机操作系统Windows系列等,都已不同程度地采用了多线程技     

并行计算环境与数值并行算法研究

本文介绍并行计算环境的一些最新进展，探讨我国当前数值并行算法研究的技术路线，特别强调高水平的基础研究与解决科学工程计算中重大挑战问题的结合。     

高性能并行计算在航空航天CFD数值模拟中的应用

本文介绍了高性能并行计算在CFD数值模拟中的应用。CFD高性能并行计算可扩大求解规模,加快求解速度,是CFD实现高效计算的必然发展趋势。本文通过"数值风洞"的概念分析了CFD高性能计算的应用前景及对高性能计算的需求。通过某乘波飞行器前体并行算例对8～256CPU的CFD大规模并行效率和加速比进行了分析,并将CFD并行计算应用于高温热化学非平衡的返回舱数值计算中。     

对Web并行计算研究的跟踪与思考

在构成Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或Ｉｎｔｒａｎｅｔ的计算机群上构造基于Ｗｅｂ的并行计算系统,是分布式计算的一个最新的研究方向,这样的系统有望克服传统分布式并行计算系统的种种不足,使网上闲置的计算能力得到更加广泛的利用。     

基于高性能并行计算的旋转网球空气动力学模拟

基于曙光5000A高性能并行集群架构和软硬件环境,采用计算流体力学方法,针对旋转物体特有的马格努斯力作用,应用Realizable k-ε湍流模型,研究网球在不同球速和转速条件下周围流场压力分布及网球表面压力分布特性,并提出一种旋转网球空气动力学模拟方法。通过增加网球旋转加大上下表面压力差,增强马格努斯效应使网球急坠,球速增加造成周围气体流态紊乱,使得网球可控性变差,阻力和升力系数分别随网球球速和旋转速度增加而增加。实验结果表明,多核并行计算可有效提高计算精度和运算效率。     

网络并行计算中的负载平衡

本文详细讨论了网络并行计算中的负荷平衡，尤其是动态负载平衡问题，并提出了相应的解决办法，最后，我们给出了如何在Ｅｘｐｒｅｓｓ环境中进行负载平衡程序设计的方法。     

面向高性能数值计算的并行计算模型DRAM(h)

提出了一个基于存储层次的新并行计算模型DRAM(h)，并在该模型下对两个经典并行数值计算算法的不同实现形式：四种形式并行下三角方程求解(PTRS)和六种形式无列选主元并行LU分解(PLU)，进行了分析．模型分析表明，具有近乎相同时间和空间复杂性的同一算法不同实现形式，在该模型下会有完全不同的存储复杂度．作者在日立公司SR2201MPP并行机、曙光3000超级服务器和中国科学院科学与工程计算国家重点实验室(LSEC)的128节点Linux Cluster等三种并行计算平台上对模型分析结果进行了实验验证．结果表明，该模型分析在绝大多数情况下都能较好地与不同实验平台上的实验结果吻合．个别出现偏差的分析结果，在根据计算平台的存储层次特点修改模型分析的假定后，也能够进行解释．这说明了该模型对不同形式的算法实现进行存储访问模式区分的有效性．对在计算模型中加入指令／线程级并行的可行性和方法的研究是下一步的工作．     

基于网格计算平台的并行计算系统研究与实现

把网格和高性能计算结合起来,基于网格高性能计算平台的并行计算系统(GPCS),主要介绍了GPCS的体系结构、功能及其设计、实现等几个主要的问题。该平台以通用网络为基础,以网格平台中间件为桥梁,实现了各种高性能计算资源之间的互联互通、共享和协同工作。     

从IRAM计算机结构看计算机体系结构发展的新特点

处理器与存储器之间的带宽差距越来越大,存储器带宽已经严重限制了计算机性能的有效提高。Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ大学贩ＩＲＡＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＲＡＭ）计算机系统结构在单个ＤＲＡＭ芯片中集成一定逻辑功能,能有效解决这一问题,代表了体系结构研究的一个新方向。     

高性能网格并行计算

对高性能计算的各种方式进行了分析和比较,并阐述了网格和元计算的关系。通过对当前各种网格工程的透视,论述了网格体系结构和网格服务语义。探讨了网格的两个关键特点：异构性和动态性及其解决方法。对于认识网格概念以及指明未来高性能并行计算发展方向有一定意义。     

基于曙光并行机的超大规模非线性方程组并行算法研究

该文讨论了一类求解大规模非线性方程组算法的并行性能及其在曙光并行机上的实现过程，与传统的算法不同之处是用一个块对角矩阵作为迭代矩阵，且该矩阵可由一个仅包含向量内积和矩阵与向量乘积的递推关系简便计算得到，在对算法进行描述之后，分析了算法的并行加速比和存储需求，讨论了算法在基于消息传递的MPI并行环境下的实现流程，数值计算表明理论分析与数值结果相比，算法在分布式并行环境下具有有较好的并行主攻较低的存储要求，可适用于大规模科学与工程的高性能计算。     

从Raw计算机结构看计算机体系结构发展的一种新趋势

已经能多种从不同的角度利用芯片晶体管资源的途径问世,ＭＩＴＩ计算机系统实验室提出的Ｒａｗ计算机系统结构是较有特色的一种,与其他的并行计算途径不同,Ｒａｗ结构充分考虑了微粒度并行计算。具有较好的并行效率。同时具有其自身的内在可扩展性,代表了计算机体系结构研究的一个新方向。     

建立异构机群系统并行计算环境的一种解决方案

机群技术的快速发展,使得充分利用现有网络和计算机资源建立机群系统以提供高性能计算能力成为可能。文章讨论了建立基于网络的机群系统并行计算环境的一些主要问题,如负载平衡、可视化监控等,并提出和实现了建立机群并行计算平台的一种解决方案。     

高性能计算机并行计算环境的构建及使用效能情况

介绍了对高性能计算机进行并行计算时所必需的基本环境构建情况,包括ssh配置、编译器f90安装及设置、并行mpi软件配置等,还进行了高性能并行计算环境下的应用试验,如对气象并行软件grpaes进行了编译,并在指定相关节点的情况下实现了高性能运行计算。最后通过对高性能计算机进行并行效率试验,找出同样计算规模的grapes模式进行并行计算时所应使用的最佳节点数。     

航天领域高性能并行计算研究进展

航天领域的大规模科学与工程问题的数值模拟既依赖于高性能并行计算的支撑,同时也是高性能并行计算发展的动力。综述了航天领域高性能并行计算的研究进展,对高性能并行计算环境进行简单介绍,对相关研究领域包括气动力、气动热、化学非平衡、结构强度、热防护、蒙特卡罗方法和湍流研究等进行分类和详细阐述;总结了航天领域高性能并行计算存在科学计算高并行效率和工程计算低实用价值、并行应用的多样性和缺少科学的并行方法的矛盾,并指出了进一步研究方向。     

并行计算系统可扩展性的研究

可扩展性是设计并行计算系统和并行算法所要考虑的一个重要性能指标。分析了等效率、等速度、平均延迟和等并行计算开销比几种并行系统可扩展性模型的特征,提出了一种新的更有效的可扩展性度量标准。通过实验结果分析,该模型能很好地评测并行计算系统的可扩展性。     

并行计算在高超声速流场数值模拟中的应用

采用计算流体力学方法,对高超声速流场进行了多区并行计算研究。基于MPI消息传递库采用Fortran语言编制了CFD并行计算程序,对NS方程采用AUSMPW+格式和LU-SGS方法求解。针对流场采用多区剖分,将每一个子区分配给相应节点进行计算。每一迭代步,相邻子区域间交换边界数据。计算表明,本文所建立的程序和方法是可行的,能够进一步延伸到大规模并行计算和工程应用中。