虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用研究

随着高性能计算机系统规模的不断扩大,体系结构的日益复杂,其管理和使用也变得越来越困难。将虚拟化技术应用于构建高性能计算机系统有助于帮助开发人员高效管理和使用高性能计算机系统,使其发挥最大效能。本文详细分析了虚拟化技术在高性能计算机系统中已有的几个成功应用,总结了虚拟化技术应用于高性能计算领域时所面临的主要问题,最后对虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用前景进行了展望。

高性能计算存储关键技术研究

存储技术是影响高性能计算机发展的一个十分重要的关键技术,由其构成的系统是高性能计算机系统中的重要组成部分,其决定了计算机I/O的处理能力,进而决定了计算机的整体性能以及应用环境.为缓解I/O能力与计算能力不匹配而存在的I/O瓶颈问题,需要进一步研究计算、网络以及外围存储系统的平衡设计与系统平滑匹配,研究应用系统I/O负荷的智能设备和动态透明调整系统的资源配置,以适应计算密集型、通信密集型和I/O密集型等不同应用与服务.重点研究面向高性能计算存储系统关键技术,在高性能计算、信息处理和信息服务等应用领域对外围存储系统的I/O能力提出了很高的要求,需要支持成千上万个客户端访问高可靠、能够支持PB、EB乃至ZB级的超大规模外围存储系统,支持TBps的聚合I/O带宽能力,这对下一代HPC存储系统结构、高性能存储载体部件、I/O通路、高性能存储网络、网络存储技术等都提出了新的挑战.

可重构计算及可重构编译技术研究

可重构计算是未来高性能计算的发展趋势,它兼具了通用计算的灵活性和专用计算的高效性,充分利用系统资源的同时,又能发挥应用程序的效率。可重构编译是推广可重构计算的关键技术,可重构编译系统能够为传统的软件编程人员提供一个体系结构透明的开发平台,并让用户真正灵活利用可重构计算平台。

面向E级计算的高性能处理器核心运算架构研究进展

高性能计算(HPC)已经进入后E级时代。作为超算系统核心器件,高性能处理器通过核心运算架构为HPC提供超强算力。核心运算架构的研究进展代表了高性能处理器体系结构的发展方向。以面向E级计算的先进高性能处理器为目标,从运算资源组织结构、数据和指令级并行方式、领域专用加速结构、支持数据类型和算力等方面对核心运算架构研究进展进行分析和探讨,并展望了高性能处理器核心运算架构的发展趋势。超宽向量SIMD和SIMT、领域专用加速结构加速矩阵运算、支持多种低精度运算以加速HPC和AI融合,将是未来高性能处理器核心运算架构研究和发展的主要方向。

超级计算机网络引导技术研究与分析

针对超级计算机系统中网络引导时间开销大的问题,提出网络引导分布算法是影响网络引导性能的主要因素之一,是优化网络引导性能的主要方向的观点。首先,分析了影响大规模网络引导性能的主要因素;其次,结合一种典型超级计算机系统,分析了超节点循环分布算法(SCDA)和插件循环分布算法(BCDA)的网络引导数据流拓扑结构;最后,量化分析了这两种算法对各个网络路径段的压力和可获得的网络性能,发现BCDA性能是SCDA性能的1~20倍。通过理论分析和模型推导发现,在计算节点和引导服务器之间使用更细粒度的映射算法可以在引导部分资源时使用尽量多的引导服务器,减少对局部网络资源的过早竞争,提升网络引导性能。

swLLVM:面向神威新一代超级计算机的优化编译器

异构众核架构具有超高的能效比,已成为超级计算机体系结构的重要发展方向.然而,异构系统的复杂性给应用开发和优化提出了更高要求,其在发展过程中面临好用性和可编程性等众多技术挑战.我国自主研制的神威新一代超级计算机采用了国产申威异构众核处理器SW26010Pro.为了发挥新一代众核处理器的性能优势,支撑新兴科学计算应用的开发和优化,设计并实现面向SW26010Pro平台的优化编译器swLLVM.该编译器支持Athread和SDAA双模态异构编程模型,提供多级存储层次描述及向量操作扩展,并且针对SW26010Pro架构特点实现控制流向量化、基于代价的节点合并以及针对多级存储层次的编译优化.测试结果表明,所设计并实现的编译优化效果显著,其中,控制流向量化和节点合并优化的平均加速比分别为1.23和1.11,而访存相关优化最高可获得2.49倍的性能提升.最后,使用SPEC CPU2006标准测试集从多个维度对swLLVM进行了综合评估,相较于SWGCC的相同优化级别,swLLVM整型课题性能平均下降0.12%,浮点型课题性能平均提升9.04%,整体性能平均提升5.25%,编译速度平均提升79.1%,代码尺寸平均减少1.15%.

神威超级计算机运行时故障定位方法

随着高性能计算机的性能不断提升、系统规模不断提高,系统和应用的错误率也不可避免地持续增多.快速发现和定位系统及应用级的错误、为用户提供高质量服务,成为了超级计算机系统设计开发过程中急需考虑的问题.超级计算机系统中硬件故障与异常、软件程序的错误等都会导致用户大规模并行应用的错误、挂死与退出.如何快速准确定位错误现场,让管理员或用户以此为基础查看异常发生的故障进行高精度、高效率的诊断,是维护高性能计算系统可靠性的重要基础.高性能计算机传统的故障定位主要通过硬件异常跟踪、系统日志分析和程序主动探测等方法,缺乏对无日志信息、无明显故障现象的程序挂死问题的定位手段,并且技术的扩展性也面临挑战.针对“新一代神威超级计算机”体系结构和SW26010-Pro众核处理器特点,提出一种运行时故障定位方法,包括基于消息传递的故障关联分析、基于全局聚合信息的在线综合分析诊断、面向申威众核处理器的异常线程过滤方法等关键技术,阐述了如何有效检测、收集、处理大量系统资源和并行进程的异常信息问题,为应对未来超大规模高性能计算中故障高效定位难题提供有效支撑.

弱耦合协处理器设计方法研究——以人工智能应用为例

近些年随着人工智能、大数据、元宇宙等应用的蓬勃发展和半导体工艺进步的放缓,软件应用与硬件性能之间出现了巨大的算力鸿沟,通过软硬件协同设计的特定领域架构作为应对方案得到了学术界和工业界的广泛关注和认可.所以针对特定领域应用的核心需求设计专用协处理器,研究专用协处理器的设计方法,对于提高软件应用性能和效率,提升硬件设计效率等问题具有重大意义.本文分析了不同耦合度和不同负载需求的协处理器设计空间,重点研究了弱耦合协处理器的设计方法,包括基于RISC-V定制指令设计协处理器指令架构、弱耦合协处理器在不同应用场景下的控制交互接口、访存接口和设计框架;同时归纳总结了人工智能应用的共性需求和人工智能协处理器研究现状;并给出了两种面向不同人工智能应用场景的弱耦合协处理器设计实例,为提高协处理器设计效率提供了有效支撑.

高性能计算机的可靠性技术现状与趋势

随着高性能计算机系统性能的不断提升和硬件规模的不断扩大,如何实现系统的可靠运行,是高性能计算机尤其是P级计算机研制中面临的重要技术挑战.从高性能计算机对可靠性技术的需求出发,全面介绍了高性能计算机硬件设计中的可靠性技术现状,包括避错、静态冗余、动态冗余和在线替换等技术,详细分析了各种可靠性技术在典型机器中的应用情况;最后对高性能计算机可靠性技术的发展趋势进行了深入探讨,包括多核处理器的可靠性设计、全方位的内存防护技术和刀片式的冗余架构.

超级计算机机箱的热流场特性研究和优化设计

采用计算流体力学(CFD)方法研究机箱在强制对流条件下的流场和热场特性。对影响机箱温度的元件布局、平板散热器结构、气流通道净空间距、环境温度等因素进行了研究和优化,获得了芯片温度对翅间距、翅厚、风道净空间距、环境温度的量化依赖关系;总结出了以上参数的优化值以及平板散热器翅间距和翅厚设计的经验值范围。

网格计算技术及其在石油勘探开发中的应用前景

网格计算已经成为信息技术发展的一个重要方向。通过网格计算技术,可以全面实现信息共享、数据共享、存储共享、计算资源共享、软件资源共享、知识共享和协同工作。首先阐述了网格计算的概念,介绍了网格计算技术在国内外的研究和应用现状;然后对中国国家网格从建设目标、建设现状、软件体系结构等几方面进行了概述;最后介绍了网格计算技术在石油勘探开发中的应用现状,并对未来发展进行了展望。

一种基于word文档的文本水印技术研究

分析了现有的4类文本水印算法的优缺点。应用RSA加密算法和BCH纠错编码对水印数据进行预处理,以增强水印数据的安全性和鲁棒性。通过改变word文档中字符颜色RGB分量的低位有效数值,实现了水印的嵌入,并应用随机序列选择水印的嵌入位置,提高了算法的安全性。实验证明,该算法具有较高的水印容量与较好的隐蔽性。最后,对算法的应用环境进行了说明。

基于行为分析的主动防御技术及其脆弱性研究

主动防御技术的出现弥补了传统的病毒扫描技术和防火墙技术的不足,给计算机系统提供了更加严密的保护。首先阐述了基于行为分析的主动防御技术的原理和实现,然后从几个方面对其脆弱性进行了分析,并研究了突破这种主动防御系统的可行性,最后提出了一些方法来增强主动防御。

面向用户的并行计算机系统可用性建模研究

随着并行计算机系统规模的扩大,系统可用性面临很大的挑战,对大规模并行计算机系统可用性进行量化评估能为系统分析和设计提供有力的支持.根据任务和采用的容错策略,使用随机行为网建立了两个不同实例的并行计算机系统面向用户的可用性模型,模型在节点模块和网络模块基础上描述了任务执行的具体情况,并以执行中的有用工作比率作为可用度指标.最后结合实际数据进行了求解和分析.同一个系统下不同应用可能会反映给用户有较大差异的可用性特征,使用面向用户的并行计算机系统可用性模型可以较为精确地量化这种差异.

非结构网格并行计算预处理方法研究

非结构网格预处理方法是非结构网格CFD并行计算的关键技术之一。提出基于缓冲数据结构的快速搜索算法来建立全局网格单元邻接关系图,算法复杂度低,能够显著降低非结构网格预处理的存储需求;在提高核心计算访存命中率方面,提出网格单元重排序算法,该算法能够提高核心计算效率,并通用于各种非结构网格问题。实验结果表明,在用于大网格量的复杂计算区域时该非结构网格预处理技术仍能得到较理想的结果。

高可靠计算机系统的容错技术

高可靠性是计算机系统所要解决和实现的重要目标,而容错技术是提高可靠性的有效途径。文章论述了可靠性的基本概念和3种故 障模式;介绍了计算机容错设计所采用的硬件冗余、信息冗余和时间冗余技术,着重分析了RAID技术和纠错码技术;指出了计算机容错设 计的发展趋势及面临的挑战。

Windows Vista操作系统安全性技术研究

为提高操作系统的安全性,Windows Vista对早期版本的一些安全特性进行了增强,并增加了很多全新的安全特性,如:用户账户控制、最小权限策略、数据保护、安全启动、网络访问保护等。通过研究这些安全特性的机制原理和实现过程,对Vista操作系统的安全性做了一个整体的概括,并分析了一些安全机制可能存在的脆弱性。

信息安全技术体系研究

从系统论的观点出发,在对信息安全的目标和信息系统构成分析的基础上,剖析了信息安全技术体系的要素和子系统,并按分层、分域、分级和分时四个维度,给出了信息安全技术的体系结构,探讨了每个维度的具体构成及其与信息安全要素和子系统之间的关系。信息安全技术体系的研究,对认清信息安全技术的本质和规律,以及运用信息安全技术构造信息安全系统具有一定的指导意义。

数据不规则问题并行计算的负载平衡策略的研究

讨论以边缘通信为特征的数据不规则问题并行计算的静态负载平衡策略。从图论的角度讨论了静态负载平衡问题,给出三个优化目标,即点集等分,最短通路和通信量最小。对于以边缘通信为特征的一般数值计算问题,论述了二维问题正方形划分总通信量最小、并行效率最高,三维问题立方体划分总通信量最小、并行效率最高的结论。基于以上结论和实际课题特点,提出一种一维优先的规则分块算法和基于自动重分块的不规则分块算法相结合的方法。实验证明,该方法实现简单,能够处理不同规模的数据不规则问题,达到较优的负载平衡和较高的通信效率,提高并行程序的整体效率。

基于移动代理技术的分布并行计算环境

介绍了采用移动Agent技术构建分布式并行处理系统的设计与实现技术,讨论了系统的构成,并给出关键技术问题的解决方案。