大規(guī)模高效能計算之體系軟件主要技術(shù)研討

李清

摘要：首先分析了大規(guī)模高效能計算的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，探討了大規(guī)模高效能計算之體系軟件的主要體現(xiàn)的幾個方面：系統(tǒng)軟件的功耗管理、用戶環(huán)境的虛擬化、虛擬化環(huán)境中的功耗管理以及虛擬化技術(shù)在高效能計算領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，并對未來大規(guī)模高效能計算之體系軟件主要技術(shù)的發(fā)展進行分析和展望。

關(guān)鍵詞：高效能計算；系統(tǒng)軟件；虛擬化

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）06-0228-02

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)更新日新月異，傳統(tǒng)的維性能時代已漸漸遠去，大規(guī)模高效能計算已經(jīng)成為未來信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。高效能計算體系是由美國國防部在2002年首先提出的以大規(guī)模高效能計算作為未來計算機發(fā)展的主導(dǎo)力量。高效能子最早是在經(jīng)濟學中出現(xiàn)的，它的含義是以較少的投入量在較短的時間內(nèi)極大地創(chuàng)造出更多的價值，實現(xiàn)各方效益的最大化。在計算機領(lǐng)域，大規(guī)模高效能計算則主要是指在盡短的時間內(nèi)以最小的設(shè)備投入、資金投入和人力投入完成復(fù)雜的、超量的有效計算。我國863計劃也將高效能計算作為高端計算體系的重要研究對象。大規(guī)模高效能計算在體系軟件方面主要的體現(xiàn)可分為以下幾點：1）高效能。計算機的計算性能是由硬件的性能、大規(guī)模高效能體系的軟件以及應(yīng)用程序共同決定的；2）低成本。盡可能地降低建設(shè)、運行和維護的費用是實現(xiàn)大規(guī)模高效能計算的重要條件之一；3）可靠性。計算機運行的可靠性一直是困擾高效能計算技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要因素之一，所以研制和開發(fā)出性能可靠的具有大規(guī)模高效能運算能力的計算機實現(xiàn)云計算的重要前提。通過設(shè)計和開發(fā)具有管理計算機運行功能的系統(tǒng)軟件是未來高效能計算發(fā)展的必然趨勢；4）易用性。大規(guī)模高效能計算機需要以系統(tǒng)軟件作為運行平臺，能夠為用戶提供能高效、方便的程序設(shè)計和運行環(huán)境實現(xiàn)計算機的易用性是系統(tǒng)軟件的重要所在；5）數(shù)據(jù)的安全性。大規(guī)模高效能計算是集諸多數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)的云計算為核心的應(yīng)用平臺，數(shù)據(jù)的安全性是整個體系正常運行的重要保證。本文對大規(guī)模高效能計算的系統(tǒng)軟件進行技術(shù)探討。

1 高效能計算技術(shù)

大規(guī)模高效能計算技術(shù)滲透于現(xiàn)代生活的各個方面，涉及現(xiàn)代科學技術(shù)的諸多領(lǐng)域，包括航空航天、現(xiàn)代通信、天氣預(yù)測、交通管理、工程機械、現(xiàn)代建筑、土木工程、資源勘探、海洋研究、深空探測等。自從1946年2月15日世界第一臺電子計算機問世到計算能力達以億次衡量的超級計算機的應(yīng)用，計算機的發(fā)展得到了長足的進步，計算機的應(yīng)用也有傳統(tǒng)意義上的單純的計算到在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模的廣泛運用，整個發(fā)展過程經(jīng)歷了一次又一次的技術(shù)變革?，F(xiàn)代計算機的廣泛運用與系統(tǒng)軟件的日益更新密不可分。

2 系統(tǒng)軟件的技術(shù)探討

2.1系統(tǒng)軟件的功耗管理

功耗在物理上定義為功率的損耗，指的是儀器、設(shè)備、元器件等的輸入功率和輸出功率之間的差值。功耗問題不僅在我們的日常家用用電設(shè)備中經(jīng)常出現(xiàn)，而且在現(xiàn)今的各類型的高效能計算機中也普遍存在。對于百萬億次和千萬億次以上的高性能計算機，它們通常都含有大量的結(jié)點，功耗問題與系統(tǒng)性能的極速提升和功耗密度的增長是成正比例增長的，這不僅為現(xiàn)在日益緊缺的用電資源背道而馳，也嚴重地制約了高性能計算機的發(fā)展。

計算機系統(tǒng)軟件的功耗管理包含峰值功耗和能效兩個方面。大規(guī)模高效能計算的基本要求是盡可能地控制峰值功耗。通過系統(tǒng)軟件的開發(fā)與應(yīng)用有效地調(diào)配大規(guī)模系統(tǒng)中的存在的大規(guī)模的空閑活躍節(jié)點，對節(jié)點進行管理和分類，建立以節(jié)點分類為基礎(chǔ)的功耗管理模式，盡量降低采樣和控制的規(guī)模。以系統(tǒng)軟件為背景動態(tài)調(diào)整空閑節(jié)點睡眠模式、基于設(shè)備內(nèi)部時鐘保持正常運行狀態(tài)的設(shè)備掉電模式和基于基于設(shè)備內(nèi)部時鐘停止運行狀態(tài)的設(shè)備掉電模式。

2.2用戶環(huán)境的虛擬化

虛擬化是指通過虛擬化技術(shù)將一臺計算機虛擬成多臺邏輯計算機的一種手段。在一臺計算機上能夠同時運行多個邏輯計算機，而且每個邏輯計算機也可同時運行不同的操作系統(tǒng)，并且它們的應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)正常的運行而彼此之間不受影響，從而顯著提高計算機的計算能力和工作效率。虛擬化使用軟件的方法能夠重新的定義劃分IT資源，能夠?qū)崿F(xiàn)IT資源更有效地完成動態(tài)的分配，靈活的調(diào)度，跨域共享，顯著地提高IT資源利用率，使IT資源能夠真正地成為服務(wù)現(xiàn)實大眾的社會基礎(chǔ)設(shè)施，能夠更好地服務(wù)于各行各業(yè)中靈活多變的應(yīng)用需求。

作為網(wǎng)格系統(tǒng)中的一個重要的計算資源，未來的高效能計算機

更需要一個能夠適應(yīng)網(wǎng)格環(huán)境的編程模型和計算模式以及開發(fā)運行和系統(tǒng)管理等的優(yōu)良環(huán)境。

2.3 虛擬化環(huán)境中的功耗管理

傳統(tǒng)的功耗管理可通過對系統(tǒng)的硬件設(shè)施和軟件程序進行升級和改造就能達到顯著地降低功耗的目的。與現(xiàn)實生活中傳統(tǒng)的功耗管理不同的是虛擬化環(huán)境中的功耗管理不能直接地去控制硬件設(shè)施，這是由于用戶操作系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的執(zhí)行狀態(tài)和行為完全未知。整個系統(tǒng)的執(zhí)行行為不被客戶操作系統(tǒng)了解，硬件不可直接被控制；如果硬件狀態(tài)被虛擬機直接進行改變，就會影響其他虛擬機在同一硬件平臺上的運行，隔離特征是虛擬機破壞最基本的特征。在虛擬化實現(xiàn)層研究系統(tǒng)功耗的管理是面向虛擬機環(huán)境的功耗管理技術(shù)主要集中的領(lǐng)域，而提供給虛擬機內(nèi)用戶的設(shè)施極其缺乏，實現(xiàn)系統(tǒng)功耗的優(yōu)化只能依靠已有的功耗管理技術(shù)來實現(xiàn)。

2.4虛擬化技術(shù)在高效能計算領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

虛擬化在大規(guī)模高效能計算領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級階段，但一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)如雨后春筍般地開始出現(xiàn)，如粒子探測器仿真系統(tǒng)已用于高能物理的仿真實驗，綜合實驗環(huán)境仿真系統(tǒng)被用來進行Botnet 研究，起落架協(xié)同仿真系統(tǒng)被用于復(fù)雜產(chǎn)品仿真等。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，真實產(chǎn)品的制造是依靠虛擬制造的動態(tài)模擬的。虛擬制造是一種軟件技術(shù)，這種軟件技術(shù)是在計算機上通過模擬大規(guī)模復(fù)雜產(chǎn)品制造而發(fā)展起來的。具有建模和仿真環(huán)境是虛擬制造的典型特征，它在產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝設(shè)計、調(diào)度計劃、后勤安排、財會管理、市場采購等過程為產(chǎn)品提供了一個集成的制造環(huán)境，能夠預(yù)測產(chǎn)品的功能和制造系統(tǒng)的工作狀態(tài)是虛擬制造在真實產(chǎn)品的制造活動廣泛地被推廣和應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)是虛擬制造作為一種新的制造技術(shù)的重要支持。集中管理和共享資源是虛擬化技術(shù)常常采用的一種用來提高資源的利用率和實現(xiàn)資源的自動滿足需求的方法。

虛擬化在虛擬制造中具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)代工業(yè)中的汽車制造、飛機設(shè)計制造、國防建設(shè)、航空航天、電力交通等重要領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在今后的發(fā)展中，邁向虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、集成化、協(xié)同化方向的發(fā)展趨勢是虛擬制造在建模與仿真技術(shù)發(fā)展的方向，它為研究虛擬化高效能仿真系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景， 與此同時，虛擬化技術(shù)擴展和豐富了網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真技術(shù)的內(nèi)涵和應(yīng)用。

3 大規(guī)模高效能計算之體系軟件未來發(fā)展

從高性能計算轉(zhuǎn)變成高效能服務(wù)是未來高效能計算發(fā)展的必然趨勢，而制約高效能計算技術(shù)發(fā)展的瓶頸是缺乏一種適合于高效能計算資源所需要的自然特性的計算環(huán)境，所以引入新的高效能計算資源管理方法勢在必行。高效能計算系統(tǒng)中能夠運用虛擬化技術(shù)，不僅使高效能計算資源管理的方式，訪問的方式和使用方式的到有效改變，而且使整個計算系統(tǒng)中的資源利用率得到顯著地提升，繼而使從計算系統(tǒng)的效能從整體上得到提升。面對大規(guī)模高效能計算出現(xiàn)的問題，大規(guī)模計算系統(tǒng)的效能的而研究可以從系統(tǒng)軟件的角度進行研究，兼顧功耗管理中常出現(xiàn)的多個目標，設(shè)計合理的解決功耗管理問題的方案，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件完成大規(guī)模高效能計算。通過虛擬化管理實現(xiàn)傳統(tǒng)物理功耗管理機制與虛擬化功耗管理機制完全的有機兼容，為大規(guī)模高效能計算之體系軟件未來的發(fā)展開辟新的方向。

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