英特爾高性能計算技術(shù)助力中國科研教育網(wǎng)格二期建設(shè)
[導讀]隨著以落實科教興國戰(zhàn)略、迎接世界新技術(shù)革命挑戰(zhàn)為主要目標的“211工程”進入三期階段，國內(nèi)高等院校承擔的科研與教學任務越來越多，他們在探索未知世界時對高效處理復雜運算的需求也越來越強。這使得過去只用于少數(shù)
隨著以落實科教興國戰(zhàn)略、迎接世界新技術(shù)革命挑戰(zhàn)為主要目標的“211工程”進入三期階段，國內(nèi)高等院校承擔的科研與教學任務越來越多，他們在探索未知世界時對高效處理復雜運算的需求也越來越強。這使得過去只用于少數(shù)科研機構(gòu)的高性能計算機，也開始成為了眾多院校必備的“基礎(chǔ)設(shè)施”。為了推動更多擁有雄厚科研力量的高?？焖俳ㄔO(shè)、充分利用高性能計算系統(tǒng)，在國家863計劃及211工程支持下，我國正在全力建設(shè)的全球最大、最先進、最實用且以高性能計算系統(tǒng)為節(jié)點的中國教育科研網(wǎng)格（ChinaGrid）也迎來了第二期的啟動階段。
走向全新發(fā)展階段的ChinaGrid
中國教育科研網(wǎng)格（ChinaGrid）是教育部“十五”211工程公共服務體系“CERNET高速地區(qū)網(wǎng)和重點學科信息服務體系建設(shè)”的重大專項，同樣也是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863項目）資助的項目。它的目標是要將中國國家教育科研網(wǎng)（CERNET）和國內(nèi)各大高校的海量計算資源和信息資源通過先進的網(wǎng)格技術(shù)集成起來，形成一個可提供高性能計算和信息服務、以輔助教學和科研的在線平臺。
自2002年開展一期建設(shè)到2010年，ChinaGrid已經(jīng)建成了覆蓋全國13個省市、20所高校的網(wǎng)格環(huán)境，聚合計算能力和存儲能力已分別達到16萬億次和180TB，是目前全球最大的基于高校資源構(gòu)建的網(wǎng)格環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，ChinaGrid還第一期成功開發(fā)和部署了五類應用網(wǎng)格：生物信息學、圖像處理、計算流體力學、海量信息處理、大學課程在線。
就在第一期建設(shè)取得了階段性成果之際，2011年3月國家發(fā)展改革委又批準了中國教育科研網(wǎng)格二期建設(shè)項目科研報告。ChinaGrid二期項目建設(shè)任務由華中科技大學等42所高等學校承擔，建設(shè)內(nèi)容主要包括網(wǎng)格資源建設(shè)、重點學科網(wǎng)格平臺與典型應用建設(shè)和公共支撐平臺建設(shè)。
來自英特爾等IT廠商的傾力支持
ChinaGrid的建設(shè)不但牽動著中國教育和科研行業(yè)內(nèi)部人士的關(guān)注，也一直是以英特爾公司為代表的、引領(lǐng)著高性能計算技術(shù)商業(yè)化和普及化的IT廠商們?nèi)χС值膶ο?。它們不但攜手合作伙伴為ChinaGrid第一期中參與的高校提供了最適于它們應用環(huán)境和特征的高性能計算產(chǎn)品及技術(shù)，還提供了很多涉及高校高性能計算人才培養(yǎng)與應用優(yōu)化的支持。
以英特爾公司為例，為幫助ChinaGrid參建高校發(fā)掘其高性能計算系統(tǒng)的性能潛力，并加速相關(guān)技術(shù)和應用的研發(fā)，它就曾特意將網(wǎng)格計算列為“英特爾大學合作計劃”在國內(nèi)的重點合作領(lǐng)域之一，不但通過研究資助及提供適當?shù)能浖脚_，直接參與了CGSP平臺的開發(fā)和改進，還與ChinaGrid一期建設(shè)時間同步，即從2003年初至2005年底累計為16所國內(nèi)高校的20個與網(wǎng)格相關(guān)的研究項目提供了資助。
此外，英特爾還通過資助課程開發(fā)和引進國外先進課程等方式，幫助國內(nèi)高校開發(fā)了與網(wǎng)格和高性能計算相關(guān)的課程課件；通過贊助和協(xié)辦全國性高性能計算技術(shù)競賽，如英特爾高性能計算應用與優(yōu)化大賽，帶動了網(wǎng)格和高性能計算技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)；通過舉辦網(wǎng)格與高性能計算學術(shù)研討會，特別是邀請公司內(nèi)部來自全球各地的高級技術(shù)專家來中國分享經(jīng)驗和最新技術(shù)進展，迅速提升了國內(nèi)高校對網(wǎng)格和高性能計算技術(shù)的研究和應用水平。
ChinaGrid二期與百億億次時代
既往持續(xù)、傾力的支持讓英特爾公司在ChinaGrid的發(fā)展歷程上留下了濃墨重彩的一筆，而面對ChinaGrid第二期的建設(shè)，英特爾則認識到了更為艱巨的挑戰(zhàn)，因為在2011年－2020年這一個新的十年期，高性能計算在現(xiàn)實應用需求激增的推動下，必將出現(xiàn)更為快速的發(fā)展，以應對那些對性能要求更為苛刻的應用，包括管理互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)的爆炸性增長、尋求應對氣候變化的解決方案、管理不斷增加的自然資源（如石油和天然氣）開采成本等。高校和科研機構(gòu)用于科研工作的科學計算類應用本來就是此前最消耗高性能計算資源的一類應用，在未來十年來自它們的性能需求壓力只會更加水漲船高。
面對這些挑戰(zhàn)，英特爾和很多合作伙伴都意識到了將高性能計算推向百億億次時代的緊迫性和必要性。所謂百億億次，就是指高性能計算機要實現(xiàn)每秒百億億次浮點計算（ExaFLOP/s）的性能水平，這相當于目前全球最快高性能計算機性能的百倍之多，英特爾希望在2011年－2020年這個十年期的末期實現(xiàn)這一目標。據(jù)英特爾預測： 2015年時，全球高性能計算機500強（TOP500）排行榜上排名第一的系統(tǒng)在性能上將有望達到每秒十億億次浮點計算，2018年時，它將越過每秒百億億次浮點計算的標桿，而到2011-2020這個十年期的末期時，地球上最快的計算機的性能則有望超過每秒4百億億次浮點計算。如此強大的計算能力，將為所有高性能計算應用的計算效率和精細度帶來革命性的提升，從而使包括科學研究、石油勘探、新能源開發(fā)、工業(yè)設(shè)計、氣象和自然災害預測以及金融計算等在內(nèi)的、需要使用強大計算力解決極為復雜問題的相關(guān)領(lǐng)域獲得極大收益。
制勝百億億次計算時代的利器
遙望百億億次時代，可以說人們想象的應用場景越美妙，它們實現(xiàn)起來的難度就越高。而在所有挑戰(zhàn)中，最首要的就是如何在可接受的能源消耗狀況下實現(xiàn)這一性能目標。舉例來說，今天中國最快的超級計算機——天河一號A（Tianhe-1A）如果要實現(xiàn)每秒百億億次浮點計算性能，就需要消耗1.6GW的電能，這相當于200萬個普通家庭的用電量，因此會帶來巨大的能效挑戰(zhàn)。
面對這個難題，英特爾給出的創(chuàng)新方向是進一步提升現(xiàn)有處理器的性能和能效，并輔以專門針對高度并行計算應用開發(fā)和優(yōu)化的創(chuàng)新計算技術(shù)。前者對于未來一段時間內(nèi)的高性能計算需求，包括ChinaGrid二期建設(shè)的前期階段是非常有意義的。英特爾將在這一階段堅持提供不斷優(yōu)化的處理器平臺。例如英特爾目前主打雙路服務器（可用于構(gòu)建高性能計算集群）和多路服務器（有助于實現(xiàn)超級節(jié)點）的至強? 5600處理器和至強? E7處理器分別比各自的上一代產(chǎn)品實現(xiàn)了高達60%和40%的性能提升，是各自市場領(lǐng)域中最具性能實力的產(chǎn)品，在這兩款處理器之后，即將問世的新一代雙路服務器平臺——至強? E5處理器平臺（代號為Romley）也將憑借全新Sandy Bridge微架構(gòu)（支持高度彈性化的多核架構(gòu)設(shè)計以及針對并行計算優(yōu)化AVX高級矢量擴展指令集）、對于磁盤陣列和SAS先進存儲技術(shù)以及板載萬兆網(wǎng)卡的支持，為高性能計算系統(tǒng)的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)層面的性能和功能均帶來顯著提升。[!--empirenews.page--]
在處理器平臺不斷更新升級的同時，如果僅使用通用處理器來提升性能面對的功耗挑戰(zhàn)越來越大，英特爾制勝百億億次計算時代的另一利器——針對高度并行計算任務開發(fā)的英特爾? 集成眾核（Intel? Many Integrated Core，Intel MIC）架構(gòu)就將發(fā)揮重要作用。
與其他IT廠商提供的類似產(chǎn)品或解決方案相比，英特爾? 集成眾核（MIC）架構(gòu)最強的優(yōu)勢就是基于已被業(yè)界廣泛接受和應用的英特爾架構(gòu)，因此其相關(guān)應用的開發(fā)和優(yōu)化也沿用了用戶們熟悉的編程模型和編程環(huán)境，這使得用戶可以利用英特爾軟件開發(fā)和優(yōu)化工作的特別版本，在非常短的時間內(nèi)將其現(xiàn)有的、運行在英特爾架構(gòu)處理器平臺上的高性能計算應用遷移到基于英特爾? 集成眾核架構(gòu)的產(chǎn)品上運行，并通過簡單的優(yōu)化就能獲得可觀的性能提升，而這將為用戶帶來的應用性能迅速增長和既往軟件投資得以保全的雙重收益。
真實應用負載理念指導系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化
匯集以上英特爾已經(jīng)發(fā)布和即將推出的高性能計算產(chǎn)品技術(shù)，再加上整個產(chǎn)業(yè)界的智慧與努力、支持與幫助，高性能計算用戶、包括ChinaGrid參與高校這樣的科學計算用戶在走向百億億次計算時代就擁有了更多的先機和勝算。不過，擁有了可構(gòu)建更高性能計算系統(tǒng)的核心模塊和能否真正按照自身應用需求構(gòu)建出最適用于它們的系統(tǒng)還是有所不同的。其中的關(guān)鍵，就是用戶能夠根據(jù)自身應用負載的特征和需求構(gòu)建和優(yōu)化其高性能計算系統(tǒng)。
面對這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，英特爾則致力于倡導以真實應用負載理念來指導系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化，這與曾經(jīng)流行的單純以個別基準測試軟件，如Linpack測試成績及其在高性能計算機排行榜上的名次來指導系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化迥然有異。英特爾認為：像Linpack、Stream、SPEC旗下用于測試處理器浮點和整數(shù)計算性能的基準測試更適用于發(fā)掘系統(tǒng)平臺中單個組件，如處理器和內(nèi)存的極限性能水平，但它卻無法衡量出在一個真正的應用中，一個高性能計算系統(tǒng)中的所有組件是如何運行以及實現(xiàn)互相影響以實現(xiàn)最佳性能、能效、性價比和性能空間比的。
相對而言，惟有使用源自高性能計算應用開發(fā)商提供的或用戶自行開發(fā)和優(yōu)化的應用，并配合真實的負載，才能更為準確地發(fā)現(xiàn)被測試系統(tǒng)的真實表現(xiàn)，它是否符合真實應用的需求，并發(fā)現(xiàn)其進一步優(yōu)化的方向，這種指導可以為用戶帶來更加合理的投資以及出色的投資回報。
英特爾支持ChinaGrid提升高?？蒲行?BR>
通過提供包括最新至強? 處理器以及英特爾? 集成眾核架構(gòu)產(chǎn)品和與之相關(guān)的軟件開發(fā)與優(yōu)化工作，以及更多創(chuàng)新的高性能計算技術(shù)，英特爾公司由衷期望能夠在未來十年引領(lǐng)整個產(chǎn)業(yè)界走向百億億次計算時代的同時，全力支持和幫助ChinaGrid第二期建設(shè)走向成功，以技術(shù)的力量破解其面臨的挑戰(zhàn)，進而加速中國高校的科研效率，實現(xiàn)與中國高性能計算產(chǎn)業(yè)及最終用戶的持續(xù)共贏。
走向全新發(fā)展階段的ChinaGrid
中國教育科研網(wǎng)格（ChinaGrid）是教育部“十五”211工程公共服務體系“CERNET高速地區(qū)網(wǎng)和重點學科信息服務體系建設(shè)”的重大專項，同樣也是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863項目）資助的項目。它的目標是要將中國國家教育科研網(wǎng)（CERNET）和國內(nèi)各大高校的海量計算資源和信息資源通過先進的網(wǎng)格技術(shù)集成起來，形成一個可提供高性能計算和信息服務、以輔助教學和科研的在線平臺。
自2002年開展一期建設(shè)到2010年，ChinaGrid已經(jīng)建成了覆蓋全國13個省市、20所高校的網(wǎng)格環(huán)境，聚合計算能力和存儲能力已分別達到16萬億次和180TB，是目前全球最大的基于高校資源構(gòu)建的網(wǎng)格環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，ChinaGrid還第一期成功開發(fā)和部署了五類應用網(wǎng)格：生物信息學、圖像處理、計算流體力學、海量信息處理、大學課程在線。
就在第一期建設(shè)取得了階段性成果之際，2011年3月國家發(fā)展改革委又批準了中國教育科研網(wǎng)格二期建設(shè)項目科研報告。ChinaGrid二期項目建設(shè)任務由華中科技大學等42所高等學校承擔，建設(shè)內(nèi)容主要包括網(wǎng)格資源建設(shè)、重點學科網(wǎng)格平臺與典型應用建設(shè)和公共支撐平臺建設(shè)。
來自英特爾等IT廠商的傾力支持
ChinaGrid的建設(shè)不但牽動著中國教育和科研行業(yè)內(nèi)部人士的關(guān)注，也一直是以英特爾公司為代表的、引領(lǐng)著高性能計算技術(shù)商業(yè)化和普及化的IT廠商們?nèi)χС值膶ο?。它們不但攜手合作伙伴為ChinaGrid第一期中參與的高校提供了最適于它們應用環(huán)境和特征的高性能計算產(chǎn)品及技術(shù)，還提供了很多涉及高校高性能計算人才培養(yǎng)與應用優(yōu)化的支持。
以英特爾公司為例，為幫助ChinaGrid參建高校發(fā)掘其高性能計算系統(tǒng)的性能潛力，并加速相關(guān)技術(shù)和應用的研發(fā)，它就曾特意將網(wǎng)格計算列為“英特爾大學合作計劃”在國內(nèi)的重點合作領(lǐng)域之一，不但通過研究資助及提供適當?shù)能浖脚_，直接參與了CGSP平臺的開發(fā)和改進，還與ChinaGrid一期建設(shè)時間同步，即從2003年初至2005年底累計為16所國內(nèi)高校的20個與網(wǎng)格相關(guān)的研究項目提供了資助。
此外，英特爾還通過資助課程開發(fā)和引進國外先進課程等方式，幫助國內(nèi)高校開發(fā)了與網(wǎng)格和高性能計算相關(guān)的課程課件；通過贊助和協(xié)辦全國性高性能計算技術(shù)競賽，如英特爾高性能計算應用與優(yōu)化大賽，帶動了網(wǎng)格和高性能計算技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)；通過舉辦網(wǎng)格與高性能計算學術(shù)研討會，特別是邀請公司內(nèi)部來自全球各地的高級技術(shù)專家來中國分享經(jīng)驗和最新技術(shù)進展，迅速提升了國內(nèi)高校對網(wǎng)格和高性能計算技術(shù)的研究和應用水平。
ChinaGrid二期與百億億次時代
既往持續(xù)、傾力的支持讓英特爾公司在ChinaGrid的發(fā)展歷程上留下了濃墨重彩的一筆，而面對ChinaGrid第二期的建設(shè)，英特爾則認識到了更為艱巨的挑戰(zhàn)，因為在2011年－2020年這一個新的十年期，高性能計算在現(xiàn)實應用需求激增的推動下，必將出現(xiàn)更為快速的發(fā)展，以應對那些對性能要求更為苛刻的應用，包括管理互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)的爆炸性增長、尋求應對氣候變化的解決方案、管理不斷增加的自然資源（如石油和天然氣）開采成本等。高校和科研機構(gòu)用于科研工作的科學計算類應用本來就是此前最消耗高性能計算資源的一類應用，在未來十年來自它們的性能需求壓力只會更加水漲船高。
面對這些挑戰(zhàn)，英特爾和很多合作伙伴都意識到了將高性能計算推向百億億次時代的緊迫性和必要性。所謂百億億次，就是指高性能計算機要實現(xiàn)每秒百億億次浮點計算（ExaFLOP/s）的性能水平，這相當于目前全球最快高性能計算機性能的百倍之多，英特爾希望在2011年－2020年這個十年期的末期實現(xiàn)這一目標。據(jù)英特爾預測： 2015年時，全球高性能計算機500強（TOP500）排行榜上排名第一的系統(tǒng)在性能上將有望達到每秒十億億次浮點計算，2018年時，它將越過每秒百億億次浮點計算的標桿，而到2011-2020這個十年期的末期時，地球上最快的計算機的性能則有望超過每秒4百億億次浮點計算。如此強大的計算能力，將為所有高性能計算應用的計算效率和精細度帶來革命性的提升，從而使包括科學研究、石油勘探、新能源開發(fā)、工業(yè)設(shè)計、氣象和自然災害預測以及金融計算等在內(nèi)的、需要使用強大計算力解決極為復雜問題的相關(guān)領(lǐng)域獲得極大收益。
制勝百億億次計算時代的利器
遙望百億億次時代，可以說人們想象的應用場景越美妙，它們實現(xiàn)起來的難度就越高。而在所有挑戰(zhàn)中，最首要的就是如何在可接受的能源消耗狀況下實現(xiàn)這一性能目標。舉例來說，今天中國最快的超級計算機——天河一號A（Tianhe-1A）如果要實現(xiàn)每秒百億億次浮點計算性能，就需要消耗1.6GW的電能，這相當于200萬個普通家庭的用電量，因此會帶來巨大的能效挑戰(zhàn)。
面對這個難題，英特爾給出的創(chuàng)新方向是進一步提升現(xiàn)有處理器的性能和能效，并輔以專門針對高度并行計算應用開發(fā)和優(yōu)化的創(chuàng)新計算技術(shù)。前者對于未來一段時間內(nèi)的高性能計算需求，包括ChinaGrid二期建設(shè)的前期階段是非常有意義的。英特爾將在這一階段堅持提供不斷優(yōu)化的處理器平臺。例如英特爾目前主打雙路服務器（可用于構(gòu)建高性能計算集群）和多路服務器（有助于實現(xiàn)超級節(jié)點）的至強? 5600處理器和至強? E7處理器分別比各自的上一代產(chǎn)品實現(xiàn)了高達60%和40%的性能提升，是各自市場領(lǐng)域中最具性能實力的產(chǎn)品，在這兩款處理器之后，即將問世的新一代雙路服務器平臺——至強? E5處理器平臺（代號為Romley）也將憑借全新Sandy Bridge微架構(gòu)（支持高度彈性化的多核架構(gòu)設(shè)計以及針對并行計算優(yōu)化AVX高級矢量擴展指令集）、對于磁盤陣列和SAS先進存儲技術(shù)以及板載萬兆網(wǎng)卡的支持，為高性能計算系統(tǒng)的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)層面的性能和功能均帶來顯著提升。[!--empirenews.page--]
在處理器平臺不斷更新升級的同時，如果僅使用通用處理器來提升性能面對的功耗挑戰(zhàn)越來越大，英特爾制勝百億億次計算時代的另一利器——針對高度并行計算任務開發(fā)的英特爾? 集成眾核（Intel? Many Integrated Core，Intel MIC）架構(gòu)就將發(fā)揮重要作用。
與其他IT廠商提供的類似產(chǎn)品或解決方案相比，英特爾? 集成眾核（MIC）架構(gòu)最強的優(yōu)勢就是基于已被業(yè)界廣泛接受和應用的英特爾架構(gòu)，因此其相關(guān)應用的開發(fā)和優(yōu)化也沿用了用戶們熟悉的編程模型和編程環(huán)境，這使得用戶可以利用英特爾軟件開發(fā)和優(yōu)化工作的特別版本，在非常短的時間內(nèi)將其現(xiàn)有的、運行在英特爾架構(gòu)處理器平臺上的高性能計算應用遷移到基于英特爾? 集成眾核架構(gòu)的產(chǎn)品上運行，并通過簡單的優(yōu)化就能獲得可觀的性能提升，而這將為用戶帶來的應用性能迅速增長和既往軟件投資得以保全的雙重收益。
真實應用負載理念指導系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化
匯集以上英特爾已經(jīng)發(fā)布和即將推出的高性能計算產(chǎn)品技術(shù)，再加上整個產(chǎn)業(yè)界的智慧與努力、支持與幫助，高性能計算用戶、包括ChinaGrid參與高校這樣的科學計算用戶在走向百億億次計算時代就擁有了更多的先機和勝算。不過，擁有了可構(gòu)建更高性能計算系統(tǒng)的核心模塊和能否真正按照自身應用需求構(gòu)建出最適用于它們的系統(tǒng)還是有所不同的。其中的關(guān)鍵，就是用戶能夠根據(jù)自身應用負載的特征和需求構(gòu)建和優(yōu)化其高性能計算系統(tǒng)。
面對這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，英特爾則致力于倡導以真實應用負載理念來指導系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化，這與曾經(jīng)流行的單純以個別基準測試軟件，如Linpack測試成績及其在高性能計算機排行榜上的名次來指導系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化迥然有異。英特爾認為：像Linpack、Stream、SPEC旗下用于測試處理器浮點和整數(shù)計算性能的基準測試更適用于發(fā)掘系統(tǒng)平臺中單個組件，如處理器和內(nèi)存的極限性能水平，但它卻無法衡量出在一個真正的應用中，一個高性能計算系統(tǒng)中的所有組件是如何運行以及實現(xiàn)互相影響以實現(xiàn)最佳性能、能效、性價比和性能空間比的。
相對而言，惟有使用源自高性能計算應用開發(fā)商提供的或用戶自行開發(fā)和優(yōu)化的應用，并配合真實的負載，才能更為準確地發(fā)現(xiàn)被測試系統(tǒng)的真實表現(xiàn)，它是否符合真實應用的需求，并發(fā)現(xiàn)其進一步優(yōu)化的方向，這種指導可以為用戶帶來更加合理的投資以及出色的投資回報。
英特爾支持ChinaGrid提升高?？蒲行?BR>
通過提供包括最新至強? 處理器以及英特爾? 集成眾核架構(gòu)產(chǎn)品和與之相關(guān)的軟件開發(fā)與優(yōu)化工作，以及更多創(chuàng)新的高性能計算技術(shù)，英特爾公司由衷期望能夠在未來十年引領(lǐng)整個產(chǎn)業(yè)界走向百億億次計算時代的同時，全力支持和幫助ChinaGrid第二期建設(shè)走向成功，以技術(shù)的力量破解其面臨的挑戰(zhàn)，進而加速中國高校的科研效率，實現(xiàn)與中國高性能計算產(chǎn)業(yè)及最終用戶的持續(xù)共贏。
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