HPC 应应 用用 概概 述述 高性能服务器产品部高性能服务器产品部高性能服务器产品部高性能服务器产品部2010-07-202010-07-202HPC应用概述应用概述HPCHPC应用领域概述应用领域概述应用领域概述应用领域概述HPCHPC各应用领域软件简介各应用领域软件简介各应用领域软件简介各应用领域软件简介3HPC应用领域概述应用领域概述新兴HPC应用生命科学动漫渲染金 融游戏产业移动医疗区域计算中心传统 HPC应用石油石化科研教育气象地震制造CAE国防军工网格计算4HPC应用领域概述应用领域概述生命科学（基因排序、蛋白质折叠）计算化学（量子化学、材料模拟）分子动力学（分子运动模拟、可视化）CFD & CAE （流体动力学、计算机辅助工程）气象环境（数值气象预报、环境污染监测）渲染可视化（动漫渲染、影视制作）石油天然气（油藏模拟、地震模拟）计算数学（算法开发、数据可视化）5生命科学领域软件简介生命科学领域软件简介生命科学生命科学生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。研究内容研究内容基因组信息学蛋白质空间结构模拟与预测药物分子设计基因表达的调控；基因功能的预测；芯片表达；数据分析等。分子的进化、生物的起源6生命科学领域常用软件生命科学领域常用软件生命科学(基因排序、序列比对、分子对接)BLAST/MPIBLASTBLAST是现在应用最广泛的序列比对软件（基因两两比对）和序列相似性搜索工具.FASTAFASTA是第一个被广泛应用的序列比对和搜索工具包，包含若干个独立的程序。CLUSTAL CLUSTAL是多序列比对软件DOCK是目前应用最广泛的分子对接软件之一生命科学领域生命科学领域软件简介软件简介7生命科学领域软件简介生命科学领域软件简介序列对比软件序列对比软件BLAST BLAST是现在应用最广泛的序列相似性搜索工具，用于序列两两比对，由NCBI研制。BLAST系统对于生物基因序列数据在计算机中的表达和处理作了许多的研究，建立在严格的 统计学基础之上。由于功能强大，检索速度快， BLAST流行于世界上几乎所有的生物信息中心。现在已有并行版本的BLAST，mpiBLAST，具有几 乎线性的加速比。对于BLAST的并行化，实际上是 将整个基因数据检索空间分成若干个子空间，为每 个查询节点分配一个子空间，最后将查询结果汇总 到主节点进行结果的输出。8生命科学领域软件简介生命科学领域软件简介序列对比软件序列对比软件BLAST 9计算化学计算化学计算化学领域计算化学领域软件简介软件简介10计算化学领域软件简介计算化学领域软件简介计算化学领域常用软件计算化学领域常用软件Gaussian03Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件DacapoDAPACO是基于密度泛函理论计算总量的程序。Geomos半经验量化计算软件，可以使用大多数当前的半经验方法。Material studio 专为材料科学领域开发的新一代材料计算软件11XP, 2000, 2003, Vista, 2008计算化学领域计算化学领域软件简介软件简介Material StudioMaterials Studio是Accelrys专为材料科学领域开发的新一代材料计算软件，可帮助研究人员解决当今化学及材料工业中的许多重要问题。Materials Studio软件采用Client-Server结构，Microsoft标准用户界面，不需要登录服务器。客户端可以是Windows 98、2000或NT，计算服务器可以是本机的Windows 2000或NT，也可以是网络上的Windows 2000、Windows NT、Linux或UNIX。12Material Studio的特点：的特点：多种先进算法的综合运用使Material Studio成为一个强有力的模拟工具。无论是性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。灵活方便的Client-Server结构还是的计算机可以在网络中任何一台装有NT、Linux或Unix操作系统的计算机上进行，从而最大限度的运用了网络资源。可以在Windows 98,Me，NT，2000 和XP 下运行。用户界面符合微软标准，你可以交互控制三维图形模型、通过简单的对话框建立运算任务并分析结果如果你安装了Materials Studio 的其它模块，后台运算既可以运行在本机，也可以通过网络运行在远程主机上。这取决于你建立运算时的选择和运算要求Materials Studio采用了大家非常熟悉Microsoft标准用户界面，它允许你通过各种控制面板直接对计算参数和计算结构进行设置和分析。计算化学领域计算化学领域软件简介软件简介13分子动力学分子动力学分子动力学模拟是通过求解系统中所有粒子的运动方程来得到粒子的运动轨迹。在模拟中，粒子间相互作用的计算占用了大部分机时，不同的粒子间势能模型需要的计算时间是不同的，其中势能函数随距离衰减的速度是一个重要的影响因素。分子动力学领域分子动力学领域软件简介软件简介14HPC各应用领域软件简介各应用领域软件简介分子动力学领域常用软件分子动力学领域常用软件GromacsGromacs是用于研究生物分子体系的分子动力学程序包。NAMDNAMD，用于在大规模并行计算机上快速模拟大分子体系的并行分子动力学代码。AMBERAmber是著名的分子动力学软件，用于蛋白质、核酸、糖等生物大分子的计算模拟。VASPVASP是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包VMDVMD是可视化分子动力学软件。CHARMM分子动力学模拟程序，用于生物大分子的模拟15分子动力学软件分子动力学软件NAMDNAMD生物大分子系统的大规模模拟软件NAMD是由美国伊诺利斯大学香槟分校的K.Schulten小组开发，曾获2002年度GordonBell奖。NAMD基于Charm+并行支持库，高端硬件平台上可以保持较高并行效率直到数千个处理器规模。NAMD最有特色的地方是通过Charm+实现了动态负载平衡，能够很容易地扩展到数百乃至数千个处理器上运行，效率却不会下降太多。16分子动力学软件分子动力学软件NAMDNAMD17分子动力学可视化软件分子动力学可视化软件 VMDVMD是分子可视化软件是分子可视化软件VMD使用OpenGL提供高质量的3D分子图形，用于显示、动画演示和分析大的生物分子体系，原子、分子、残基的数量，以及动画画面的数量，在内存允许的范围内没有任何限制。VMD具有多种分子显示方式、着色方法和立体显示功能。18分子动力学算例分子动力学算例 nbody N-Body问题是天体物理学和分子化学运动过程模拟的经典代表。N-Body问题是在并行计算模型上，对数据并行和分治等并行算法设计方法、并行算法的复杂性分析、以及算法设计中伸缩性和效率等都有很好的研究价值。19CFD、CAE应用应用领域软件简介领域软件简介CFD、CAE计算流体力学计算流体力学 (CFD，Computational Fluid Dynamics) 是流体力学的一门分支学科，它集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体，是一种用于分析流体流动性质的高级计算机模拟分析技术计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）就是用计算机辅助求解工程和产品的强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能以及性能的优化设计等问题的方法。CAE、CFD主要分为前处理，求解计算和后处理三个步骤： Computation Computation Post-processing Post-processingPre-processingPre-processing20CFD、CAE应用领域软件简介应用领域软件简介前处理前处理 主要是建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等计算求解计算求解 是对所建立的数值模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分后处理后处理 以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理其中建模和后处理通常是在工作站中进行的，而CAE的核心即求解过程，需要占用大量的CPU、内存资源以及存储空间，通常要在高性能计算机上完成。21CFD、CAE应用领域软件简介应用领域软件简介CFD、CAE常用软件常用软件Fluent国际上最流行的商用CFD（计算流体力学）软件STAR - CD采用完全非结构化网格技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包。Gambit面向CFD分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成Ansys是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件LS-Dyna世界上最著名的通用有限元分析软件22CFD、CAE应用领域软件简介应用领域软件简介计算流体动力学的软件主要有：计算流体动力学的软件主要有：Fluent，CFX，CFD-Fastran等等对计算资源需求的特点：CFD的基本特点是计算量大、进程通信量大，因此，要求系统采用高内存，高主频CPU，高速率，高带宽数据总线和多CPU的系统配置，高速率，高带宽，低延迟的网络；软件的扩展性特点：扩展性比较好，在64-128 CPU以内都能获得较好的并行性能。软件的并行技术：CFD算法通常采用MPI等消息传递方式实现，属于分布式内存应用程序，该类应用程序并行效果好，对内存的需求没有共享内存类型的应用程序大，而且对本地交换硬盘性能要求不高。消息传递方式可适用于SMP或者DMP结构的服务器上。23CFD、CAE应用领域软件简介应用领域软件简介 制造行业制造行业CAE的应用可以分为下面两个子学科：的应用可以分为下面两个子学科：隐式有限元分析（隐式有限元分析（IFEA）采用隐式算法的CAE软件主要有：ABAQUS/Standard、ANSYS、MSC.NASTRAN等，适合求解静力、模态、屈曲等问题对计算资源需求的特点：隐式解法的基本特点是内存占用多、磁盘IO大、进程通信量大，通常在计算过程中，会产生大量临时存放但对性能需求很高的本地交换文件。因此，隐式解法要求系统的内存容量大、访存带宽高、磁盘IO速度快、通信延迟低；软件的扩展性特点：扩展性比较差，计算性能在8-16 CPU以上就很难获得进一步的提升；软件的并行技术：隐式算法通常采用OpenMP或者Pthreads等共享内存的方式实现。采用共享内存方式的优点是实现容易，性能较高，但只能运行在SMP结构的服务器上。24CFD、CAE应用领域软件简介应用领域软件简介 制造行业制造行业CAE的应用可以分为下面两个子学科：的应用可以分为下面两个子学科：显式有限元分析（显式有限元分析（EFEA）采用显式算法的软件主要有ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、PAM-CRASH等，适合求解接触、碰撞、冲击等问题对计算资源需求的特点：显式解法对内存、磁盘IO和通信延迟的要求要低一些。软件的扩展性特点：扩展性较好，在64-128 CPU以内都能获得较好的并行性能。软件的并行技术：显式算法通常采用MPI或者PVM等消息传递方式实现。消息传递方式可适用于SMP或者DMP结构的服务器上。25气象环境气象环境数值天气预报数值天气预报是根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，预报未来天气的方法。这种预报是定量和客观的预报。 空气质量预报空气质量预报是以数学方法描述源与环境之间定量关系的空气质量模式，特别是主要以描述大气对污染物的输送、扩散和稀释的空气质量扩散模式的应用气象环境应用气象环境应用领域软件简介领域软件简介26气象环境气象环境模式前处理部分模式前处理部分模式前处理部分主要功能是为模式主体运行部分提供输入资料模式主体运行部分模式主体运行部分 模式主体运行部分及计算求解部分，是整个系统的核心模式后处理部分模式后处理部分 模式后处理主要是将输出数据(降水)以图形方式显示出来，用于业务预报参考气象环境应用气象环境应用领域软件简介领域软件简介27气象环境常用模式气象环境常用模式HPC各应用领域软件简介各应用领域软件简介数值天气预报WRF数值天气预报是根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，预报未来天气的方法。WRF模式是在MM5模式上发展起来的新一代中尺度模式MM5MM5是中尺度气象预报模式。GRAPES全球数值天气预报系统，由气科院开发空气污染分析模型CMAQ空气质量模型是用数学方法来模拟影响大气污染物的扩散和反应的物理和化学过程。基于输入的气象数据和污染源信息如排放率，烟囱高度等，这些模型可以模拟直接排入大气的一次污染物和由于复杂的化学反应形成的二次污染物。Models-3：由美国环保局EPA和海洋大气局NOAA共同开发的第三代空气质量模型Models-3，其核心部分是CMAQCAMxWRF-Chem28谢谢！谢谢！