ext 不同的 應對 氣候變化 序列 協同工作 roc 大量數據 類方法

摘要：好久沒有寫文章了，最近開始學習高性能計算，通過網絡和書籍學習後的一點總結，留日後，查閱吧！如有不足之處還請指出，感謝。

高性能計算簡稱HPC(High Performance Computing)，是計算機科學的一個分支，特指當今具有超強計算能力的一類計算機。它致力於開發高性能計算機，主要采用模擬方法，解算當今超大、超高、超復雜的計算任務，研究並行算法及開發相關軟件。高性能計算已被公認為繼理論科學和實驗科學之後，人類認識世界改造世界的第三大科學研究方法。
高性能計算大多數基於集群的HPC系統使用高性能網絡互連，比如那些來自 InfiniBand 或 Myrinet 的網絡互連。在計算過程中，各節點是協同工作的，它們分別處理大問題的一部分，並在處理中根據需要進行數據交換，各節點的處理結果都是最終結果的一部分。高性能集群的處理能力與集群的規模成正比，是集群內各節點處理能力之和，但這種集群一般沒有高可用性。高性能計算的分類方法很多。這裏從並行任務間的關系角度來對高性能計算分類。

　高性能計算機在密集計算、海量數據處理等領域不可或缺，對於保障國防安全、促進科學研究及產業發展具有直接推動作用。在國防安全方面，核武器設計、核爆炸模擬、空氣動力學、反×××武器系統、空間技術的開發等需要在高性能計算機上進行模擬;在科學研究方面，長期氣候預測、高精度天氣預報、海洋環流計算、空氣與水汙染的模擬分析、洪水與地震等災害的預報等都需要進行海量數據處理和大規模計算;在產業發展方面，發動機設計、模具設計、生物新藥設計、風洞試驗仿真、石油地質勘探以及新材料研究等都離不開高端計算。具體來看，依賴超級計算機解決的挑戰性問題包括：
　　1)交通工具制造：超級計算機可用來認識和改進汽車、飛機或輪船等交通工具的空氣/流體動力結構、燃料消耗和防撞強度，並幫助減少噪音，提高乘坐者舒適度。
　　2)氣候問題：借助超級計算機建模預測氣候變化，防範和減輕氣候變化帶來的破壞。
　　3) 地球科學：地球物理學涉及大量數據處理和模擬，超級計算機在石油勘測等方面具有潛在和巨大的經濟效益。
　　4)地震監測：超級計算機對地震的模擬將幫助我們探索地震預測新方法，通過預警減少地震人財物傷亡和損失的風險。
　　5) 天體物理：超級計算機模擬是天體物理學的基礎，通過模擬時間進程並加速，可對天體演變進行建模和理論試驗。
　　6) 生命科學：從基因學的數據密集型研究到細胞網絡模擬和大規模系統建模，超級計算機將幫助尋找疾病治療的革命性方法。
　　7)公共健康：超級計算機可對影響社會的健康和安全事件進行模擬，為可能發生的大規模汙染和災難等提出應對措施和規劃。
　　8)材料科學：基於對物質和能量的密集計算模擬，或許能發現具有很高經濟效益的物質和反應。
　　9)人類/組織系統研究：宏觀經濟學和社會動力學的研究同樣需要超級計算機，比如對大量人口行為進行模擬。

不同的行業和研究領域在應用高性能計算時，對高性能計算集群有不同的系統要求。比如
在涉及天體物理或分子動力模擬計算應用場景時，需要處理大模型計算，多處理器、共享大容量內存的配置允許中間數據存儲在內存中，CPU可以直接從內存中獲取而不需要和硬盤交換數據，可以減少IO頻度，明顯提高計算速度。
在氣象預報應用場景中，計算本身有時效性要求，應用的計算量大並行要求高，所以強勁的節點計算能力有利於提升整體的計算效率。
在汽車、航空、芯片制造領域借助高性能計算進行產品的CAE仿真設計，需要進行求解分析的是網格數量巨大的產品幾何模型進行求解，在各節點在計算過程中有頻繁的通訊需求。為了避免CPU等待數據進行計算的情況，因此需要低時延高帶寬的網絡來連接大量的計算節點間的數據傳輸，提升計算效率。
在基因分析場景，序列比對、拼接需要對海量、復雜、多變的數據進行分析計算，單次測序數據量的大幅度提升，在計算過程中會產生大量的數據，因此需要配置高帶寬、大容量的共享存儲，滿足計算節點頻繁的數據IO讀寫請求。

高性能計算系列之一：概要