CFD與超級(jí)計(jì)算機(jī)

預(yù)測(cè)超音速噴氣飛機(jī)引擎產(chǎn)生的噪聲是一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)里,用一臺(tái)基于Bluegene/Q架構(gòu)的IBM Sequoia百萬核芯計(jì)算機(jī)成功解決了這個(gè)問題,與此同時(shí),他們也創(chuàng)下了一項(xiàng)計(jì)算機(jī)科學(xué)界的新紀(jì)錄:首次突破了超級(jí)計(jì)算的“百萬核瓶頸”。

研究人員本次使用的IBM Sequoia超級(jí)計(jì)算機(jī)曾一度問鼎全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜,它基于BlueGene/Q架構(gòu),擁有多達(dá)1572864個(gè)計(jì)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(gè)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(shí)了百萬核芯級(jí)別的流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算是可行的,人們也能夠利用它設(shè)計(jì)出更安靜的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

為什么要進(jìn)行這樣的仿真?

高性能飛機(jī)的排氣通風(fēng)裝置是最強(qiáng)的人造噪聲源之一,當(dāng)飛機(jī)在起飛和降落時(shí)其威力尤為驚人。對(duì)于地面工作人員來說,哪怕是戴著最先進(jìn)的聽力保護(hù)設(shè)備,也難逃其衍生的危險(xiǎn)環(huán)境;而對(duì)于機(jī)場(chǎng)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(jià)值則是大事。由此便不難理解工程師們?yōu)槭裁聪胍O(shè)計(jì)出更安靜的飛機(jī)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(jī)。然而排氣通風(fēng)裝置所處的極端環(huán)境顯然不滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作條件,更別說讓科學(xué)家仔細(xì)研究測(cè)量其中的具體進(jìn)程了。作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型,復(fù)雜的預(yù)先仿真在這樣的設(shè)計(jì)活動(dòng)中就派上了用場(chǎng)。從這些仿真中獲得的數(shù)據(jù)既推動(dòng)著以計(jì)算為基礎(chǔ)的科學(xué)發(fā)現(xiàn),也推動(dòng)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(jì)算流體動(dòng)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(jí)計(jì)算機(jī)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(jī)引擎的模型,并對(duì)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(cè)試一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能。在仿真過程中傳播的光波,需要計(jì)算性能、內(nèi)存和通信能力的完美平衡,就像一個(gè)精心配合的交響樂團(tuán)一樣。像Sequoia這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以將復(fù)雜的計(jì)算分為更小的部分,從而能實(shí)現(xiàn)各部分的同時(shí)運(yùn)算。擁有的計(jì)算核芯越多,計(jì)算的速度和能承受的復(fù)雜度越高。

但千萬不能認(rèn)為運(yùn)算從此就變得簡(jiǎn)單了,事實(shí)上,拋開額外需求的計(jì)算功率不說,越來越多的計(jì)算核芯反而讓運(yùn)算變得更具挑戰(zhàn)。在百萬核芯級(jí)別下,程序代碼中原本無傷大雅的細(xì)微部分也會(huì)瞬間成為制約計(jì)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(jì)算機(jī)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(shí)的表現(xiàn),來看看首次運(yùn)行能否達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行性能。當(dāng)?shù)谝淮蜟FD仿真的初始化通過時(shí),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(jì)算時(shí)間有了堪稱“戲劇性”的縮短,他們的激動(dòng)心情早已溢于言表了。

“這幾次運(yùn)行的計(jì)算能力比CTR之前做過的規(guī)模最大的仿真還要強(qiáng),至少是一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升”,尼科爾斯說,“這對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)于尼科爾斯都堪稱一次“回歸”。早在1994年,當(dāng)時(shí)還是高中生的他在勞倫斯·利弗莫爾計(jì)算設(shè)備中心參加了一個(gè)暑期項(xiàng)目,這個(gè)項(xiàng)目為期兩周,由美國(guó)能源部贊助。年輕的尼科爾斯當(dāng)時(shí)在一臺(tái)Cray Y-MP型計(jì)算機(jī)上工作,那也是彼時(shí)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。從那時(shí)起,他就立下了深入研究超級(jí)計(jì)算機(jī)的決心。

“Sequoia大約比Cray Y-MP強(qiáng)大一千萬倍”,尼科爾斯說。

這次實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)代碼被稱為CharLES,是由斯坦福前高級(jí)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(jī)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(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)(這是一個(gè)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(gè)飛機(jī)機(jī)翼上的湍流。而這些同樣是一個(gè)由美國(guó)能源部贊助的項(xiàng)目,名為仿真科學(xué)學(xué)院聯(lián)盟計(jì)劃(PSAAP)。

世界上有不少超級(jí)計(jì)算機(jī)值得我們關(guān)注,下面就來盤點(diǎn)一下目前世界上最強(qiáng)大的十臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

1.天河二號(hào)

天河二號(hào)是由中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)所研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī),其浮點(diǎn)運(yùn)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(jí)計(jì)算機(jī)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(hào)使用的是英特爾Xeon Phi處理器。

2.泰坦

泰坦位于美國(guó)能源部下屬的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(diǎn)運(yùn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的龐然大物曾經(jīng)位居超級(jí)計(jì)算機(jī)之首,其主要用途是延長(zhǎng)老舊核武器的壽命,并展開核聚變相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。Sequoia使用的是IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),它擁有96個(gè)機(jī)架,98304個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)、近160萬個(gè)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(diǎn)運(yùn)算。

4.K Computer

K Computer是日本排名最高的超級(jí)計(jì)算機(jī),它位于日本神戶RIKEN計(jì)算科學(xué)高級(jí)研究所,以其每秒10.5千萬次浮點(diǎn)運(yùn)算速度來“解決當(dāng)今社會(huì)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(tái)基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)打造的超級(jí)計(jì)算機(jī),它位于伊利諾伊州萊蒙特的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,由美國(guó)能源部所有。它是能效最高的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一,每秒浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)8.58千萬億次。

6.Piz Daint

這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)是以阿爾卑斯山脈的代恩特峰所命名,它位于瑞士國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心,使用的是克雷的XC90系統(tǒng),每秒浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)也會(huì)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(tái)由戴爾打造的超級(jí)計(jì)算機(jī)位于德州高級(jí)計(jì)算機(jī)中心,它的浮點(diǎn)運(yùn)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(bào)和天體物理。

8.Juqueen

這臺(tái)擁有458,752個(gè)核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)所打造,其浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒5千萬億次。Juqueen是前十名當(dāng)中唯一一臺(tái)來自德國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī),它位于德國(guó)尤里希研究中心,主要用于神經(jīng)科學(xué)、計(jì)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(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)也使用了IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)室(LLNL)。最近,LLNL和IBM、Nvidia及Mellanox簽訂了一份新的超級(jí)計(jì)算機(jī)合同,目標(biāo)是在2017年打造出一臺(tái)名叫Sierra的超級(jí)計(jì)算機(jī),以提升核武器建模的能力,以及消除地下測(cè)試的需要。

10.絕密

這是一臺(tái)美國(guó)政府所有的超級(jí)計(jì)算機(jī),但和上面這些超級(jí)計(jì)算機(jī)不同的是,它并沒有常規(guī)的代號(hào),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(diǎn)運(yùn)算速度為3.57千萬億次。與此同時(shí),它還是目前能效最高的超級(jí)計(jì)算機(jī)。