CFD與超級計算機

預(yù)測超音速噴氣飛機引擎產(chǎn)生的噪聲是一個復(fù)雜的流體動力學(xué)問題。日前,斯坦福大學(xué)湍流研究中心(CTR)的研究人員在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)里,用一臺基于Bluegene/Q架構(gòu)的IBM Sequoia百萬核芯計算機成功解決了這個問題,與此同時,他們也創(chuàng)下了一項計算機科學(xué)界的新紀(jì)錄:首次突破了超級計算的“百萬核瓶頸”。

研究人員本次使用的IBM Sequoia超級計算機曾一度問鼎全球超級計算機排行榜,它基于BlueGene/Q架構(gòu),擁有多達(dá)1572864個計算核芯(處理器)和1.6PB(1PB=1024TB)的內(nèi)存,處理器與內(nèi)存之間通過一個高速五維環(huán)面互連。

CTR的助理研究員約瑟夫·尼科爾斯(Joseph Nichols)有幸能利用Sequoia進(jìn)行工作,這一次,尼科爾斯證實了百萬核芯級別的流體動力學(xué)仿真計算是可行的,人們也能夠利用它設(shè)計出更安靜的飛機發(fā)動機。

為什么要進(jìn)行這樣的仿真?

高性能飛機的排氣通風(fēng)裝置是最強的人造噪聲源之一,當(dāng)飛機在起飛和降落時其威力尤為驚人。對于地面工作人員來說,哪怕是戴著最先進(jìn)的聽力保護設(shè)備,也難逃其衍生的危險環(huán)境;而對于機場周邊的居民來說,這樣的噪聲擾亂日常生活事小,拉低了房產(chǎn)價值則是大事。由此便不難理解工程師們?yōu)槭裁聪胍O(shè)計出更安靜的飛機引擎,并進(jìn)行這樣的仿真工作了。

有一種思路是改變排氣口的形狀,從源頭上減少噪聲,也就能生產(chǎn)出更安靜的飛機。然而排氣通風(fēng)裝置所處的極端環(huán)境顯然不滿足實驗設(shè)備的工作條件,更別說讓科學(xué)家仔細(xì)研究測量其中的具體進(jìn)程了。作為一種先進(jìn)的計算機模型,復(fù)雜的預(yù)先仿真在這樣的設(shè)計活動中就派上了用場。從這些仿真中獲得的數(shù)據(jù)既推動著以計算為基礎(chǔ)的科學(xué)發(fā)現(xiàn),也推動著研究人員發(fā)現(xiàn)噪聲的物理性質(zhì)。

核越多,挑戰(zhàn)越大

“計算流體動力學(xué)(CFD)的仿真,比如尼科爾斯所做的工作,是極其復(fù)雜的。直到最近,伴隨著擁有百萬核芯的超級計算機的到來,工程師們才能夠快速而準(zhǔn)確地制作出噴氣式飛機引擎的模型,并對它們產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行仿真”,CTR的主管帕爾維茲·莫恩(Parviz Moin)說道。

CFD仿真可以全面地測試一臺超級計算機的性能。在仿真過程中傳播的光波,需要計算性能、內(nèi)存和通信能力的完美平衡,就像一個精心配合的交響樂團一樣。像Sequoia這樣的超級計算機可以將復(fù)雜的計算分為更小的部分,從而能實現(xiàn)各部分的同時運算。擁有的計算核芯越多,計算的速度和能承受的復(fù)雜度越高。

但千萬不能認(rèn)為運算從此就變得簡單了,事實上,拋開額外需求的計算功率不說,越來越多的計算核芯反而讓運算變得更具挑戰(zhàn)。在百萬核芯級別下,程序代碼中原本無傷大雅的細(xì)微部分也會瞬間成為制約計算的瓶頸。

突破瓶頸

在過去的幾周里,斯坦福的研究人員和LLNL的計算機技術(shù)人員一直在共同致力于解決上面所說的這些小問題。上周,他們?nèi)找咕o盯著終端在第一次全系統(tǒng)規(guī)模仿真時的表現(xiàn),來看看首次運行能否達(dá)到穩(wěn)定的運行性能。當(dāng)?shù)谝淮蜟FD仿真的初始化通過時,他們已經(jīng)難掩心中急切,等到代碼性能不斷提高并超越重要的百萬核芯閾值,再加上計算時間有了堪稱“戲劇性”的縮短,他們的激動心情早已溢于言表了。

“這幾次運行的計算能力比CTR之前做過的規(guī)模最大的仿真還要強,至少是一個數(shù)量級的提升”,尼科爾斯說,“這對仿真技術(shù)的影響是令人難以置信的?！?br />

“回歸”

從各方面來看,這次的仿真實驗對于尼科爾斯都堪稱一次“回歸”。早在1994年,當(dāng)時還是高中生的他在勞倫斯·利弗莫爾計算設(shè)備中心參加了一個暑期項目,這個項目為期兩周,由美國能源部贊助。年輕的尼科爾斯當(dāng)時在一臺Cray Y-MP型計算機上工作,那也是彼時最強大的超級計算機之一。從那時起,他就立下了深入研究超級計算機的決心。

“Sequoia大約比Cray Y-MP強大一千萬倍”,尼科爾斯說。

這次實驗同樣也是斯坦福大學(xué)的一次回歸,而且是更深層次的回歸。在此次研究中用到的計算機代碼被稱為CharLES,是由斯坦福前高級研究助理弗蘭克·漢姆(Frank Ham)開發(fā)的,該代碼利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來模擬復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中存在的湍流。

除了進(jìn)行噴氣式飛機噪聲的仿真,CharLES代碼還被斯坦福的研究人員用于研究高超音速飛行的超燃沖壓發(fā)動機推進(jìn)系統(tǒng)(這是一個前沿概念,意指以多倍于音速的速度飛行),也被用來仿真整個飛機機翼上的湍流。而這些同樣是一個由美國能源部贊助的項目,名為仿真科學(xué)學(xué)院聯(lián)盟計劃(PSAAP)。

世界上有不少超級計算機值得我們關(guān)注,下面就來盤點一下目前世界上最強大的十臺超級計算機。

1.天河二號

天河二號是由中國國防科技大學(xué)所研發(fā)的超級計算機,其浮點運算速度高達(dá)每秒33.86千萬億次,已連續(xù)四次蟬聯(lián)世界超級計算機TOP500排行榜第一位,相比第二名“泰坦”速度快了近一倍。天河二號使用的是英特爾Xeon Phi處理器。

2.泰坦

泰坦位于美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室,主要用于科學(xué)研究使用。它基于克雷公司的XK7系統(tǒng)所打造,使用了Nvidia Tesla GPU和AMD Opteron CPU,速度達(dá)到每秒17.5千萬億次浮點運算。到2018年,泰坦將被IBM的Summit所替代。

3.Sequoia

這部置于加州勞倫斯伯克利國家實驗室的龐然大物曾經(jīng)位居超級計算機之首,其主要用途是延長老舊核武器的壽命,并展開核聚變相關(guān)的實驗。Sequoia使用的是IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),它擁有96個機架,98304個計算節(jié)點、近160萬個處理器核心、內(nèi)存容量1.6PB(1600TB)。它的速度可達(dá)每秒17.1千萬億次浮點運算。

4.K Computer

K Computer是日本排名最高的超級計算機,它位于日本神戶RIKEN計算科學(xué)高級研究所,以其每秒10.5千萬次浮點運算速度來“解決當(dāng)今社會所面臨的能源、可持續(xù)性、醫(yī)療、氣候變化、工業(yè)和空間挑戰(zhàn)”。

5.Mira

Mira是另一臺基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)打造的超級計算機,它位于伊利諾伊州萊蒙特的阿貢國家實驗室,由美國能源部所有。它是能效最高的超級計算機之一,每秒浮點運算速度可達(dá)8.58千萬億次。

6.Piz Daint

這臺超級計算機是以阿爾卑斯山脈的代恩特峰所命名,它位于瑞士國家超級計算機中心,使用的是克雷的XC90系統(tǒng),每秒浮點運算速度可達(dá)6.27千萬億次。Piz Daint的主要用途是氣候和天氣建模,同時也會被應(yīng)用于天氣物理、材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究。

7.Stampede

這臺由戴爾打造的超級計算機位于德州高級計算機中心,它的浮點運算速度為每秒5.1千萬億次。它主要被用于藥物物理結(jié)構(gòu),天氣預(yù)報和天體物理。

8.Juqueen

這臺擁有458,752個核心的超級計算機同樣基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)所打造,其浮點運算速度為每秒5千萬億次。Juqueen是前十名當(dāng)中唯一一臺來自德國的超級計算機,它位于德國尤里希研究中心,主要用于神經(jīng)科學(xué)、計算生物學(xué)、氣候研究和量子物理學(xué)方面的研究。

9.Vulcan

和Juqueen一樣,這臺超級計算機也使用了IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),浮點運算速度為每秒4.29千萬億次。它位于加州勞倫斯·利弗莫爾實驗室(LLNL)。最近,LLNL和IBM、Nvidia及Mellanox簽訂了一份新的超級計算機合同,目標(biāo)是在2017年打造出一臺名叫Sierra的超級計算機,以提升核武器建模的能力,以及消除地下測試的需要。

10.絕密

這是一臺美國政府所有的超級計算機,但和上面這些超級計算機不同的是,它并沒有常規(guī)的代號,所處位置也并未向公眾披露。目前已知的信息是,它基于克雷的CS-Storm系統(tǒng),每秒浮點運算速度為3.57千萬億次。與此同時,它還是目前能效最高的超級計算機。