容器技术在高性能计算环境中的应用

【应用背景】高性能计算环境中间件SCE部署在多个前端服务器,科学计算应用软件需要在多个超算系统安装,软件与基础编译环境间的适配问题亟需解决。【目的】解决高性能计算环境中SCE中间件与前端服务器、应用软件与超级计算系统之间的兼容性问题,简化软件部署流程。【方法】本文利用Docker技术构建了中间件SCE的容器,利用Singularity技术实现了应用软件的容器化,并在高性能计算环境中多个结点进行了部署验证。【结果】SCE容器能够在环境中正常提供服务,应用软件容器与宿主机性能相当,其中LAMMPS容器运行时间与宿主机误差不超过2.63%。【结论】利用容器技术实现了中间件及应用软件的容器化封装,解决了软件与部署环境的适配问题,降低了软件部署的复杂度,提高了软件管理及运维效率。

高性能计算环境中间件的优化设计与实现

步入大数据时代之后,致力于解决大规模科学计算问题的高性能计算技术,得到了越来越广泛的关注与应用。随着高性能计算机制造产业的蓬勃发展,具有每秒上亿亿次浮点运算速度的高性能计算集群对高性能计算环境中间件的性能提出了更高的要求。现有的高性能计算环境中间件中,资源信息服务无法满足海量信息快速更新的需求。为了提高高性能计算环境中间件的性能,通过借鉴ETL技术,将资源信息传输方式优化为信息同步模式。优化后的信息同步模式在处理2 000条作业状态更新时,延迟时间缩短90%、系统负载降低98%、网络连接数减少90%,为系统维护人员、环境用户带来更好的用户体验。

可待因及福尔可定的密度泛函理论计算模拟和表面增强拉曼光谱测定

运用密度泛函理论(DFT)对可待因及福尔可定进行几何构型优化,从而对标准品粉末的拉曼光谱的振动模式进行指认和归属,并与低浓度水平标准溶液的表面增强拉曼谱图进行比较。进一步优化了表面增强拉曼光谱检测条件,并摸索可待因及福尔可定的测定下限及定量分析的可行性。结果表明,可待因及福尔可定大部分特征峰拉曼位移的理论计算值、拉曼光谱测定值、表面增强拉曼光谱测定值是一致的,但会有一定程度的蓝移和红移;可待因、福尔可定的测定下限均为10 mg·L^(-1)。可待因在631.29 cm^(-1)和1 595.26 cm^(-1)处、福尔可定在628.58 cm^(-1)和1 251.41 cm^(-1)处的特征峰强度比值,与其对应的质量浓度(40~100 mg·L^(-1))呈线性关系。对空白基质进行加标回收试验,可待因和福尔可定的回收率分别为99.0%~105%和102%~104%,测定值的相对标准偏差(n=5)分别为5.3%,5.9%。上述方法可为这两种管制药品提供拉曼光谱检测的理论依据和快检支持。

云结构智能地下管网管理信息系统

为解决我国绝大多数城市的城市级管网和区域性管网普遍存在线路老化、满负荷使用、管理混乱、应急处理能力差等问题,建立云结构智能地下管网管理信息系统。在GIS技术基础上,为城市综合管网资源的数字化、智能化以及动态监控等方面提供专业的解决方案,应用地理信息、三维模拟、一体化管线探测等先进技术,建立城市地下管网基础地理信息数据库,实现地下管网信息资源的集中管理、统一服务,为最终实现水、电、燃气智能化、数字化管理奠定基础。

近邻搜索在多孔材料格点模型建模中的应用

大规模多孔材料格点模型系统的计算机模拟的运行效率通常严重受制于初始构型的体积大小。为了提高多孔材料格点模型建模的效率,一种基于分治策略的近邻搜索方法被提出。该建模方法将格点系统的局部空间以分治的方式划分为不相交的区域进行近邻搜索,能够高效地区分出格点系统中多孔材料的母体区域和孔隙区域。利用分治策略近邻搜索的方法构建多孔材料格点系统初始构型的时间复杂度正比于构型的体积,用该方法建模可极大地减小计算机模拟大规模多孔材料格点系统的运行时间。

基于非凸交易成本的投资组合优化问题求解

为使模型更加贴近现实投资场景,从而使投资组合进一步有效指导投资实践,对均值-绝对差(MAD)模型进行扩展,引入分段线性非凸交易成本函数,加入阈值和基数约束等条件,允许卖空,建立多条件约束下的非凸MAD模型。在此基础上选取与标准普尔500指数、罗素2000、罗素3000指数相关的数据集,使用IBM CPLEX进行模型求解和并行分析,将结果与交易成本函数为线性的模型进行对比,对比结果表明,在相同风险水平下,该模型具有更高的收益率和较好的可扩展性。

工程计算中大型稀疏矩阵存储方法研究

在工程实际中,许多问题都可以归结为数值法求解偏微分方程（组）的问题.偏微分方程数值解法主要包括有限差分法、有限元法和有限体积法,其中大多数方法都是通过离散的方式将方程转化为线性方程组,通过求解线性系统得到原方程的数值解.在这个过程中,线性方程组的系数矩阵通常很大并且很稀疏,会占用大量存储空间并使方程组难以求解.针对这个问题,本文研究大型稀疏矩阵的压缩存储方法,只存储非零元素,降低存储空间消耗,避免零元素参与计算,提升计算效率.具体来说,在稀疏矩阵生成过程中,使用十字链表法存储,可以在常数时间内完成非零元素的插入操作;在方程组求解过程中,使用按行（列）压缩存储方法,既节约存储空间,又可以提高求解器的求解效率.在实验部分,本文分别使用有限差分法求解Laplace方程和有限元法计算圆环截面应力分布问题,对其中大型稀疏线性方程组的系数矩阵,采用十字链表法和按行（列）压缩存储法存储,使用直接法和迭代法求解线性方程组.实验结果显示,对于结构化和非结构化的稀疏矩阵,压缩存储方法不仅能够大幅度减少内存空间的占用,而且能够显著提升求解器的效率.

核辐照损伤金属材料的大规模KMC模拟

动力学蒙特卡洛方法可用来模拟核反应堆第一壁材料的辐射效应和缺陷扩散,有助于理解和预测材料在辐照损伤下的微观性质和宏观变化。采用同步子域方法实现了空位跃迁过程的并行模拟。通过采用动态更新通信数据和自适应同步时间步长方法,减少通信次数和通信量,在保证准确性的情况下获得了较好并行性能。实验表明,基于同步子域的串行计算比原始串行算法时间缩短60.31%,并行算法在80核时达到39倍加速比。对于大规模问题,算法也表现出很好的并行效率,适用于大规模问题的模拟。

哌嗪类新精神活性物质BZP及TFMPP拉曼光谱特性研究

运用密度泛函理论(DFT)优化哌嗪类新精神活性物质1-苄基哌嗪(BZP)和1-(3-三氟甲基苯基)哌嗪(TFMPP)的几何构型,结合实验测得的拉曼谱图对标准品拉曼谱图的振动模式进行指认和归属,并与低浓度样品的表面增强拉曼(SERS)谱图进行比较;使用自制纳米金、NaCl溶液为助剂,优化BZP和TFMPP的SERS检测条件。在最优条件下,BZP和TFMPP的检出限分别为10 ng/mL和1μg/mL;重复性实验中2种样品的主要特征峰强度相对标准偏差(RSD)分别4.5%~14%和4.0%~16%。运用基于Matlab自行开发的设计分子光谱数据分析系统的BP神经网络模块,对模拟未知样品进行预测,30份BZP样品和26份TFMPP样品的预测值与真实值比值的平均值(AVG)分别为1.21和0.99,RSD分别为22%和14%。本文可为BZP和TFMPP的拉曼检测提供理论依据和快检方法。

有限差分法求解声子热输运方程

声子辐射输运方程是一个微分-积分方程,使用有限差分法数值求解具有边界条件的声子辐射输运方程,可借助Gauss-Seidel方法和有限差分离散化来保证得到稳定的数值解.通过对室温下Ge/Si/Ge薄膜的声子热输运过程进行一维数值模拟,以及对界面处使用漫射失配界面模型,可以得到温度沿着薄膜法向方向的变化曲线和Ge/Si薄膜厚度比例与温度在界面处跳跃值对材料整体结构的热导率的影响,以及随着薄膜厚度的增加薄膜热导率的变化趋势;对硅薄膜声子热输运过程进行二维数值模拟,可以得到温度沿着薄膜法向和面向方向的分布情况,以及当薄膜宽度和厚度比例不同时温度的变化和法向热导率的变化.

基于空位跃迁的KMC并行实现

动力学蒙特卡洛方法是一种随机方法,它将系统的演化过程抽象为状态到状态之间的跃迁,这种方法被广泛地应用到各种材料的演化模拟中.本文采用同步子域方法实现了空位跃迁过程的MPI并行模拟,通过自适应同步时间步长方法,在保证准确性的情况下获得较好并行性能.设计动态添加通信数据的通信方式,有效降低通信开销.数值实验表明,采用同步子域的串、并行方法同原始串行算法结果一致.同时算法在大规模问题的模拟上也表现出很好的并行效率.