2015年中国高性能计算机发展现状分析*



2015年中国高性能计算机发展现状分析*

修回日期：2015-12-22

通信地址：100088北京市北京应用物理与计算数学研究所Address:Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088,P.R.China

袁国兴1，姚继锋2

(1.北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088;

2.中国科学院软件研究所并行软件与计算科学实验室，北京 100190)

摘要：根据2015年11月发布的中国高性能计算机性能TOP100排行榜的数据，对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域等方面进行了讨论分析，同时对未来发展进行了展望。

关键词：高性能计算机；性能；排行榜；测评技术

1引言

在国际上，自1993年起每年都会按Linpack的测试性能公布在世界范围内已安装的前500台高性能计算机排行[1]，这已成为高性能计算机研制生产、市场发展、应用交流和趋势分析预测的重要参考。2002年，中国软件行业协会数学软件分会首次发布中国高性能计算机排行榜，并在随后每一年的10月末或11月初公布当年我国高性能计算机TOP100排行榜[2,3]。在过去的十余年间，由中国软件行业协会数学软件分会联合中国计算机学会高性能计算专业委员会与国家863高性能计算机评测中心发布的中国HPC TOP100排行榜，为我国高性能计算机的研制及在众多领域的应用推广做出了显著的贡献。

2015年11月11日，最新一期中国HPC TOP100排行榜在江苏无锡召开的HPC China 2015年年会上发布。本文基于最新排行榜数据，对我国高性能计算机的性能、制造厂商、体系结构及应用领域等进行了讨论分析。

2总体性能分析

2015年，所有中国HPC TOP100入榜系统的Linpack测试值均超过360 TFLOPS，其中Linpack测试值超过1 PFLOPS的系统数量不变，仍为3台，全部由国防科学技术大学研制，分别为部署于国家超级计算广州中心的“天河二号”超级计算机(Linpack值为33.863 PFLOPS)、部署于国家超级计算天津中心的“天河一号”A系统(Linpack值为2.566 PFLOPS)和部署于山西吕梁云计算中心的天河二号-吕梁超级计算机(Linpack值为2.071 PFLOPS)。

和2014年相比，2015年中国HPC TOP100榜单的前6名没有变化，第7名即今年新部署的最大规模系统为曙光公司研制、部署于中国科学院大气物理研究所的地球系统数值模拟装置Si-Cube，该系统共有1 038个计算节点，配备2 076颗Intel Xeon E5-2680 2.5 GHz (12核心)CPU，总浮点计算性能为996 TFLOPS，Linpack测试值为738 TFLOPS。第8～10名同样均为2015年新增系统，分别由浪潮和曙光公司研制，均部署于互联网公司。

值得一提的是，自2002年榜单发布以来，今年是首次由国产系统包揽前10名。完整的前10名榜单如表1所示。

Table 1　The top 10 systems of China HPC Top100 in 2015

2015年，作为入榜门槛的第100名系统是联想公司研制、部署于北京大学的Lenovo Intelligent Cluster系统，其Linpack测试性能为360.3 TFLOPS。和2014年第100名的206.2 TFLOPS相比，性能提升了1.75倍。

2015年所有100台入榜系统的Linpack平均性能为850.9 TFLOPS，这是2014年平均性能682.5 TFLOPS的1.24倍(参见图1)。

Figure 1　System performance comparisons for China HPC Top100 between 2014 and 2015图1　2015年中国HPC TOP100系统与2014年系统性能对照

3制造商分析

图2给出了中国HPC TOP100计算机制造商的上榜系统统计。2015年，所有100台上榜系统由曙光、联想、浪潮等8家厂商或研制单位提供，其中曙光和联想公司各以34套装机数并列数量份额第1名。浪潮、国防科学技术大学、IBM、HP、国家并行计算机工程技术研究中心以及中国科学院过程工程研究所以23、4、2、1、1、1的装机数量分列3至6名。

Figure 2　Vendors system share图2　制造商系统份额

以装机数量计算，2015年TOP100榜单中，国产三强曙光、联想和浪潮合计占装机总量的91%，和去年相比，这一数据又增加了6个百分点，再次佐证了我国高性能计算机研制能力的提升和市场份额的持续扩大。

从系统的Linpack性能来看，国防科学技术大学的4台系统分列第1、2、3、5名，以占100台系统总性能46.2%的绝对优势连续第6年取得总性能第一，这充分体现了国防科学技术大学在高性能计算机研制上技术领先的水准。

4体系结构分析

共享内存(SMP)、分布式共享内存(DSM)、大规模并行处理(MPP)等多种体系架构百花争艳的时代已经过去，分布式集群计算系统(Cluster)成为当前高性能计算机的绝对主流，近五年来进入TOP100榜单的系统无一例外，全部采用集群架构。

从CPU类型看，全部100套系统中有95套采用了Intel Xeon系列处理器，占据绝对优势；其余分别为AMD Opteron和IBM Power处理器各2套，国产申威处理器1套。

从加速计算部件看，2015年有17套系统采用NVidia Tesla GPU或Intel Xeon Phi处理器进行性能加速。图3给出了过去5年配备加速计算部件系统数量变化。可以看出，当前GPU仍是加速计算的主流，而Intel Xeon Phi处理器也已得到一定的应用。

Figure 3　Variations of accelerators and network from 2011 to 2015图3　2011~2015加速计算部件及系统网络变化

变化最为明显的是系统互连网络，千兆以太网从去年的70套锐减到今年的27套；相对应地，万兆以太网从16套增加到53套，成为高性能计算系统的主流互连网络。而InfiniBand和国防科学技术大学自主研发的私有网络在过去5年中占据比较稳定的份额(如图3所示)。

5应用领域分析

图4给出了2015年中国HPC TOP100中的行业应用领域的系统数量示意。目前，100台系统分布于15个大的应用领域，其中用于互联网服务的系统最多，为24台，其余是大数据(17台)、电信(9台)、云计算(8台)、政府部门(7台)、超算中心(6台)、科学计算(5台)等14个应用领域。

大数据、视频分析和移动互联网作为单独的应用领域出现在榜单中，这充分体现了相关领域在过去一年内的快速发展以及高性能计算技术在相关领域的重视和应用。尤其值得一提的是，本年度明确应用于大数据领域的系统达到17台，均部署于大型互联网企业，结合百度、阿里、腾讯等国内领先的互联网企业近来在数据挖掘、深度学习等领域的极度重视和大力投入，可以想象，在未来相当长的时间内，大数据将是HPC系统的主要应用领域之一。

本年度用于互联网服务的系统约50余套，和2014年相比略有减少。这是因为，一方面，用于数据挖掘及深度计算的大数据类系统以及视频分析、信息安全类系统从计算方式上看更接近传统的科学与工程计算；另外一方面，部署于科研院所、专用于科学计算的系统今年有显著增加，除了前文提及的部署于中国科学院大气物理研究所和北京大学的系统外，还有中国科学院计算机网络信息中心、东北大学等科研院所的新系统入榜。

整体而言，2015年我国高性能计算应用在广度和深度上均有显著提升。在互联网领域，表现为大数据应用的急速崛起；而在传统科学与工程计算领域，则以地球系统数值模拟装置这一为单一学科方向服务系统的部署为显著标志。

6中国HPC TOP100榜单的拟定和发布

中国HPC TOP100榜单由中国软件行业协会数学软件分会领衔发布，14年来，在国内外有着广泛的影响力。正由于其重要性，发布单位及四名署名专家对榜单的公开、公平和公正性高度重视，设立专项工作组负责榜单相关工作。一般而言，榜单的拟定及发布主要由如下几个步骤组成：

(1)数据搜集。每年八月末或九月初，工作组向国内主要科研院所、HPC用户及系统厂商或研制单位发送数据征集通知，搜集本年度HPC系统数据。所有数据必须在指定时间(10月25日23:59)前完成上报，2015年共搜集候选系统数据140余套。

(2)数据核验。HPC TOP100榜单是依据Linpack测试值进行排序，工作组对候选系统的各项参数(除Linpack值外，还包括系统配置、部署地信息、峰值等)进行核验，其中对于排名前5的候选系统，发布单位将组织专家团队赴系统现场进行实地审核。对不符合要求的数据，工作组将要求数据提交方进行核准；对失真数据，工作组将予以剔除，并希望数据提交方予以改正。

(3)榜单拟定及审核。工作组于10月末形成初步榜单，随后召开中国软件行业协会数学软件分会常务理事会，由与会专家对本年度榜单进行审议，经确认通过后形成本年度正式榜单。

(4)榜单发布。中国HPC TOP100榜单将在每年的全国高性能计算学术年会(HPC China)会议首次发布，随后在榜单官方网站(http://www.hpctop100.cn)发布完整榜单。

Figure 4　Application area system share图4　TOP100系统在不同应用领域的分布

7结束语

2015年中国高性能计算机继续呈现快速发展态势，无论是性能、应用领域还是应用规模均有着长足发展。其主要态势包括：

(1)期待中的100P系统今年未能公布，前6名系统保持不变，国防科学技术大学继续包揽前3名系统；

(2)HPC应用范围继续扩大，大数据、视频分析、移动互联网等均成为高性能计算系统的用武之地；

(3)无论是传统科学与工程计算，还是互联网领域，HPC应用均向纵深发展，以解决更复杂、更庞大、更有挑战性的计算问题；

(4)联想、曙光、浪潮国产三强在市场份额和系统规模上均持续前进，我国高性能计算机产业发展态势喜人。

但需要注意的是，尽管高性能计算系统和应用领域及规模均有发展，但在应用的效率即计算软件如何尽可能发挥硬件的计算性能上，仍有大量的工作需要完成。专业第三方[4]对大量常用高性能计算应用(如VASP、WRF、BLAST、Fluent等)的统计分析显示，绝大部分应用实际运行时的平均浮点计算性能不到其运行过程中最高计算性能的10%。

最后，图5 给出了2002～2015年共14年来TOP100数据变化。可以看到，近十年来，第一名系统受国家相关科研计划影响，其性能呈跳跃式发展，计划中的100P系统已经呼之欲出。最后一名性能则呈规律性指数增长，每年约为前一年的2～3倍。

Figure 5　China HPC TOP 100,from 2002 to 2015图5　2002～2015 TOP100数据

参考文献:附中文

[1]Meuer H,Simon H,Strohmaier E,et al. TOP500 supercomputer Sites[EB/OL].[2015-09-12].http://www.top500.org.

[2]Sun Jia-chang, Yuan Guo-xing, Zhang Lin-bo, et al. China HPC TOP100 rank list[EB/OL].[2014-11-15].http://www.hpctop100.cn.(in Chinese)

[3]Yuan Guo-xing, Yao Ji-feng. State of the art analysis of China HPC in 2014[J]. Computer Engineering & Scinece, 2014,36(12):1-3.(in Chinese)

[4]Dongarra J, Heroux M A. Toward a new metric for ranking high performance computing systems[EB/OL].[2015-10-09].http://www.sandia.gov/~maherou/docs/HPCG-Benchmark.pdf.

[5]Beijing Paratera Technology Co.,Ltd[EB/OL].[2015-10-13].http://www.paratera.com.(in Chinese)

[2]孙家昶，袁国兴，张林波，等. 2014年中国高性能计算机TOP100排行榜[EB/OL].[2014-11-15].http://www.hpctop100.cn.

[3]袁国兴，姚继锋. 2014年中国高性能计算机发展现状分析[J].计算机工程与科学，2014,36(12):1-3.

[5]北京并行科技有限公司[EB/OL].[2015-10-13].http://www.paratera.com.

袁国兴(1938-),男，江苏武进人，研究员，研究方向为大规模科学与工程计算的方法与软件。E-mail:ygx@iapcm.ac.cn

YUAN Guo-xing,born in 1938,research fellow,his research interests include large scale scientific and engineering computing methods and software development.

姚继锋(1976-),男，江苏泰兴人，博士，高级工程师，研究方向为并行算法与并行软件。E-mail:jifeng@iscas.ac.cn

YAO Ji-feng,born in 1973,PhD,senior engineer,his research interests include parallel algorithm, and parallel software.

State of the art analysis of China HPC 2015

YUAN Guo-xing1,YAO Ji-feng2

(1.Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088;

2.Laboratory of Parallel Computing,Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Abstract:In this paper,according to the latest China HPC TOP100 rank list released by SAMSS in early November,we present the overall performance trends of China HPC TOP100 and TOP10 of 2015 from the aspects of overall performance,manufacturers,and application areas.

Key words:high performance computer;performance;rank list;system benchmarking technologies

作者简介:

doi:10.3969/j.issn.1007-130X.2015.12.001

中图分类号：TP38

文献标志码：A

收稿日期：*2015-11-12;

文章编号：1007-130X(2015)12-2195-05