C enter of C omputational C hemistry 并行计算机与并行计算 张鑫 理论与计算化学国际合作研究中心 分子反应动力学国家重点实验室.

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1 C enter of C omputational C hemistry 并行计算机与并行计算 张鑫 理论与计算化学国际合作研究中心 分子反应动力学国家重点实验室

2 C enter of C omputational C hemistry 情况介绍 分子反应动力学国家重点实验室 交叉分子束动力学课题组 理论与计算化学国际合作中心 研究员 2 人，其中一位为中国科学院院士，高级访问学者 1 人，博士后研究人员 6 人， 博士研究生 18 人，硕士研究生 4 人 与多个国际学术团队有很好的合作，与纽约大学化学系张增辉教授合作建立理论与 计算化学国际合作研究中心

3 C enter of C omputational C hemistry 主要研究工作 实验方面： 交叉分子束对光解，碰撞反应，立体化学动力学的研究 激光诱导荧光方法对光解，立体化学动力学的研究 飞秒激光对超快动力学过程的研究 理论方面： 准经典轨线方法对反应动态学的研究 量子力学方法对反应动态学的研究 复杂体系势能面的构造，拟和 量子化学及其他方法对分子结构，物质特性，化学反应过程的研究 1997-2001 年，发表文章 84 篇，其中英文 66 篇

4 C enter of C omputational C hemistry HPC Server

5 C enter of C omputational C hemistry 并行计算机与并行计算 1 为什么要建造并行计算机 2 并行计算机的类型 3 什么是并行计算，并行进程的特性 及并行模型的分类 4 工作站集群 (COW) 的基本结构 5 中国科学院十五计划中关于并行计 算部分

6 C enter of C omputational C hemistry 为什么要建造并行计算机

7 C enter of C omputational C hemistry 什么是超级计算环境 超级计算（ Supercomputing ），从技术的意义上说 ，是为了在问题的求解上具有更快的速度、更高的 精度、更大的规模、更好的性能价格比而采用的非 主流计算的设施和方式。

8 C enter of C omputational C hemistry 计算速度的要求  问题 : 科学和工程问题的数值模拟与仿真 – 计算密集 – 数据密集 – 网络密集 – 三种混合  要求 : 在合理的时限内完成计算任务 – 秒级制造业 – 分钟级短时天气预报 ( 当天 ) – 小时级中期天气预报 (3~10 日 ) – 尽可能快长期天气预报 ( 气候 ) – 可计算湍流模拟

9 C enter of C omputational C hemistry 问题的规模

10 C enter of C omputational C hemistry 计算机的规模 :TOP10 (2001 年 7 月 )

11 C enter of C omputational C hemistry IBM Builds World's Fastest Supercomputer to Simulate Nuclear Testing for U.S. Energy Department

12 C enter of C omputational C hemistry 以动物的食物链为例

13 C enter of C omputational C hemistry

14 打破高性能计算的壁垒 2100 单处理器共享存储 局域并行机群广域并行机群 GFLOPSGFLOPS

15 C enter of C omputational C hemistry 并行计算机分类

16 C enter of C omputational C hemistry Flynn 分类法 SISD （单指令流单数据流）系统 SIMD （单指令流多数据流）系统 MISD （多指令流单数据流）系统 MIMD （多指令流多数据流）系统 五种物理机模型 : 实际的机器体系结构 — PVP (Parallel Vector Processor, 并行向量机 ) — SMP (Symmetric Multiprocessor, 对称多处理机 ) — MPP (Massively Parallel Processor, 大规模并行处理机 ) — COW (Cluster of Workstation, 工作站机群 ) — DSM (Distributed Shared Memory, 分布共享存储多处理机 )

17 C enter of C omputational C hemistry 几种我们常见的并行计算机 CPU … 总线或交叉开关 SM (a) SMP, 物理上单一地址空间 CPU … 定制网络 LM 虚拟分布共享存储 (DSM) (b) DSM, 逻辑上单一地址空间 P/C … 定制 / 标准网络 LM (c) Cluster/COW, 物理 / 逻辑上多地址空间 SMPMPP … WAN LMDSMSM (d) Grid (Cluster of Clusters)

18 C enter of C omputational C hemistry 什么是并行计算，并行进程的表述 及并行模型的分类

19 C enter of C omputational C hemistry 什么是并行计算 进程 1 发送信息 进程 2 接收信息 传统的串行计算，分为 “ 指令 ” 和 “ 数据 ” 两个部分，并在程序 执行时 “ 独立地申请和占有 ” 内 存空间，且所有计算均局限于 该内存空间。 并行计算将进程相对独立的 分配于不同的节点上，由 各自独立的操作系统调度， 享有独立的 CPU 和内存资源 （内存可以共享）；进程间 相互信息交换通过消息传递 ； 进程 1 进程 2

20 C enter of C omputational C hemistry 并行算法的表述 在并行算法的表述中，所有描述串行算法的语句及进程均可调用， 而只是为了表达并行性而引入几条所谓的并行语句 当几个算法步要并行执行时， 我们可以写作 Do step i to j in parallel step i step i+1 … step j 或者是： 当几个处理器同时执行相同的操作时，我们可以写作 for all i parallel do. end for

21 C enter of C omputational C hemistry 例如 n=2**k 个数的求和 输入： n=2**k 个数存入数组 A 中 输出： S=sigma(A(i)) begin (1) for i=1 to 4 parallel do B(i)  A(i) end for (2) for h=1 to logn=2 do for i=1 to n/2**h=1 parallel do B(i)  B(2i-1) + B(2i) end for (3) S  B(i) end 把每一个 A(i) 赋给 B(i ) n=4,k=2, 就是 4 个数的加和 h= 1 to 2 h=1 I=1 to 2 (4/2**1) B(1)  B(1)+B(2) B(2)  B(3)+B(4) h=2 I=1 to 1 (4/2**2) B(1)  B(1)+B(2) S  B(1) 若有 2**2=4 个处理器，则在 1(h) 级可能的并行 运算数目为 4/2**1=2. 则运算任务分摊给前两个 处理器

22 C enter of C omputational C hemistry 硬件结构抽象模型 ( 自然模型 )  共享存储  共享存储的模型和语言 ( 适于 PVP, SMP, DSM) X3H5, Pthread OpenMP  消息传递的模型和语言 ( 适于 MPP, Cluster, COW) MPI (Fortran, C, Gamess, Vasp) PVM (Fortran, C)  数据并行的模型和语言 ( 适于在 MPP/Cluster 上实现 SPMD 应用 ) Fortran 90 HPF(High Performance Fortran) 并行模型的分类

23 C enter of C omputational C hemistry 基于程序构造的模型  CSP  Linda （ Fortran, C, Gaussian ）  Global (Molpro ， Columbus) 基于问题描述的模型  GAMMA  UNITY 基于并行计算理论的模型  PRAM  BSP  LogP

24 C enter of C omputational C hemistry Yale 大学 Nicholas Carriero 和 David Gelernter 于 1986 年基 于分散数据结构和共享存储系统的并行计算模型. Linda 模型定义了一个功能强大的逻辑存储器 (TS) 和在 其上的一组核心操作 (in, out, read, eval), 它们能够方便地嵌 入到不同的语言 ( 如, C, Fortran) 中而构成相应的并行语言 (C-Linda 和 Fortran-Linda 等 ) 该模型同时还支持动态程序设计和两种不同的编程风 格 (Master/Slaver 和 Divide-and-Conquer), 为用户开发不同 类型 的应用程序提供了灵活的手段. Linda 模型

25 C enter of C omputational C hemistry （进程从 TS 中提取任务或数据进行计算, 并将结果或生成的新任务放入 TS 中. 并行执行 的进程之间通过 TS 进行间接的通信和同步. TS 是一个可被多个进程共享的、能同时存放 数据和任务的数据箱） TS 共享数据箱 进程 2 进程 4 进程 3 进程 1

26 C enter of C omputational C hemistry Linda 模型的应用 － Linda in Gaussian HF: SP Opt Freq MP2: Sp Opt Freq DFT: SP Opt Freq －可以将串行代码改编为并行代码 支持 C 和 Fortran 语言

27 C enter of C omputational C hemistry MPI 已经成为一种标准，应用越来越广泛。而最流行的 MPI 工具集 当属 mpich 〔 http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich 〕，是目前高 效率的超大规模并行计算（ 1000 个处理器）最可信赖的平台。 在当前所有的消息传递软件中, 最重要最流行的是 MPI, 它能运行在 所有的并行平台上, 包括 SMP 和 PVP. 二者已经在 Windows NT 和 Windows 95 这样的非 Unix 平台上实现. 程序设计语言支持 C, Fortran 和 Java. 在国产的三大并行机系列神威、银河和曙光上都实 现了对 MPI 和支持. MPI (Message Passing Interface) MPI 模型 目标 : 是提供一个实际可用的、可移植的、高效的和灵活的消息传递 接口标准. MPI 以语言独立的形式来定义这个接口库, 并提供了与 C 、 Fortran 和 Java 语言的绑定. 这个定义不包含任何专用于某个特别的 制造商、操作系统或硬件的特性. 由于这个原因, MPI 在并行计算界 被广泛地接受.

28 C enter of C omputational C hemistry MPI 并行程序设计平台由标准消息传递函数及相关辅助函数 构成，多个进程通过调用这些函数（类似调用子程序），进 行通信； 一个程序同时启动多份，形成多个独立的进程， 在不同的处理机上运行，拥有独立的内存空间， 进程间通信通过调用 MPI 函数来实现；每个进程 开始执行时，将获得一个唯一的序号（ rank ）。 例如启动 P 个进程，序号依次为 0 ， 1 ， … ， P-1 ； MPI 并行进程的实现

29 C enter of C omputational C hemistry 消息传递是相对于进程间通信方式而言的，与具体并行机存储模式无 关， 任何支持进程间通信的并行机，均可支持消息传递并行程序设计；几 乎 有共享和分布存储并行计算环境均支持进程间的消息传递通信； 进程 0 发送一个整数给进程 1 ；进程 1 将该数加 1 ，传递给进程 2 ；进程 2 再将 该数加 1 ，再传递给进程 3 ；依次类推，最后，进程 N-1 将该数传递给进程 0 ， 由进程 1 负责广播该数给所有进程，并打印输出。 进程 1 传递信息 进程 3 传递信息 进程 2 传递信息 进程 0 传递信息

30 C enter of C omputational C hemistry 在商品化的并行机上, MPI 的环境一般是由系统管理人员事先设置好的， 用户不需要变动它. 而在用户自已配置的 NOW( 工作站机群 ) 上运行 MPI 程序 则需要设置以下配置文件： (1) 由于加载程序到结点上运行需要调用了 Unix 系统的 rsh 命令，所以 需要在每个结点上设置.rhosts 文件，以使 rsh 能正确执行； (2) 由于 NOW 环境的异构性，需要在启动时指定运行结点的体系结构； 若未指定，是指使用与启动并行程序的结点具有相同体系结构的结点. 在启动并行程序的机器里，具有相同体系结构的几台机器的名字存放 在一个名为 $MPICH/util/machines/machines. 的文件中，一台 机器的名字占有文件的一行，其中 $MPICH 是一个环境变量，指明 MPICH 软件安装后所在的目录. 并行程序加载运行时是按照文件中机器名字的 先后顺序依次加载的. 商业机中的 MPI

31 C enter of C omputational C hemistry 程序用以下并行 C 编译器 mpcc 来编译 : 执行下列命令将可执行程序 myprog 加载到 n 个节点上 : mpcc myprog.c –o myprog mpirun myprog –np n MPI 进程是重型的单线进程. 它们拥有不同的地址空间. 因此, 一 个进程不能直接访问另一个进程地址空间中的变量. 进程间的通信用 消息传递来实现. MPI 的编译与运行

32 C enter of C omputational C hemistry 工作站集群 (COW) 的基本结构

33 C enter of C omputational C hemistry COW 简介 工作站机群（ Cluster of Workstation ）是将一群工作站用某种结构 的网络互联起来，充分利用各工作站的资源，统一调度、协调处 理，以实现高效并行计算。 通信原语库以及并行程序设计环境工具 : MPI 、 PVM 、 linda 互联网络： LAN （ Myricom Myrinet/Gigabite/Ethernet ） 节点： 高档微机，对称多处理机 SMP 操作系统： Unix 、 Linux 、 NT 、改进和修改的操作系统 通信协议： TCP/IP 、特定的协议

34 C enter of C omputational C hemistry 基本实现原理 1 网络文件系统 NFS(Unix 、 Linux) 、网络驱动器 (Windows) ， MFS(Mosix kernel)... 2 网络信息服务 NIS (Unix 、 Linux) 、 NIS+(Solaris) 、域（ NT ） 3 并行开发环境及编译器 MPI 、 PVM ， Linda, HPF, GNU GCC/G77 … 4 数学库 Free Scalapack... 5 通信软件 Free Myricom GM 6 作业管理 GNU Open PBS 7 系统管理 GNU SCMS 8 监控管理 GNU OSCAR 9 负载均衡 Mosix

35 C enter of C omputational C hemistry Ø 软件配置： 操作系统：每一个节点都装有多用户，多任务的 RH 7.2 linux(2.4.19) 网络文件系统： NFS ， MFS 网络信息系统： NIS 编译器： GNU C, GNU Fortran 77, Absoft F95 F90 F77, PGI F90 F77 C C++ 并行开发环境： LINDA, MPI 负载均衡： Mosix 数据并行语言高性能编译器和运行库： HF77, PGI HPF ， Free Scalapack 计算软件： Parallelized Gaussian 98 A.9 (with Linda support), Gamess, Molpro, 各种自编程序和交流程序 HPC Server

36 C enter of C omputational C hemistry 中国科学院十五计划中 关于并行计算部分

37 C enter of C omputational C hemistry 中国科学院网络信息中心高性能计算研究室 现有计算设备： － Power Challenge XL 并行对称多处理系统 －日立 SR2201 超级计算并行机系统 －曙光 2000-II 超级服务器 详细配置可以查询： www.sc.ac.cn

38 C enter of C omputational C hemistry 预备引进： －联想 iCluster1800 高性能机群服务器（已由数学研究院引进，正在试运行） －超过 2 万亿次的超级计算机（预计 2004 年 9 月到位） 目前正在征求意见，建立用户资料库

39 C enter of C omputational C hemistry 1. 什么任务适合在超级计算环境内运行？ 一般来说，计算量极大而使 PC 不能满足要求或者根本不能计算的任务是适合在 超级计算环境中运行的。比如， （ 1 ）需要分布式并行处理的科学计算任务，包括：由于对计算资源要求过大而 使现在的硬件条件无法满足要求的计算任务，通过将串行源代码改编为并行源 代码来进行计算，或者有通行的并行计算程序（商业或非商业）； （ 2 ）虽然可以计算但是时间过长的问题等。 2. 超级计算环境可以提供怎样的支持？ 现行的超级计算环境是基于 Linux 或 Unix 操作系统的，所以对于商业程序，应该是 支持这两种操作系统的；而对于自编的源代码，可以在超级计算机上编译通过产生 可执行文件。如果希望把串行的代码改编为并行，可以得到超级计算中心技术人员 的帮助。

40 C enter of C omputational C hemistry 我们所的使用 量子化学和化学动力学涉及的相关课题 生物分子、药物分子的设计、模拟及结构特性 基元化学反应的量子化学研究 材料科学和表面科学 物理有机化学及催化过程的研究 催化反应动力学及其表征 量子动力学研究分子的动态过程 PEMFC 内流体流动与传递现象研究 流场理论计算及多维物理场耦合计算

41 C enter of C omputational C hemistry 谢谢！