CFD與超級計算機

預測超音速噴氣飛機引擎產生的噪聲是一個復雜的流體動力學問題。日前,斯坦福大學湍流研究中心(CTR)的研究人員在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)里,用一臺基于Bluegene/Q架構的IBM Sequoia百萬核芯計算機成功解決了這個問題,與此同時,他們也創(chuàng)下了一項計算機科學界的新紀錄:首次突破了超級計算的“百萬核瓶頸”。

研究人員本次使用的IBM Sequoia超級計算機曾一度問鼎全球超級計算機排行榜,它基于BlueGene/Q架構,擁有多達1572864個計算核芯(處理器)和1.6PB(1PB=1024TB)的內存,處理器與內存之間通過一個高速五維環(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進行工作,這一次,尼科爾斯證實了百萬核芯級別的流體動力學仿真計算是可行的,人們也能夠利用它設計出更安靜的飛機發(fā)動機。

為什么要進行這樣的仿真?

高性能飛機的排氣通風裝置是最強的人造噪聲源之一,當飛機在起飛和降落時其威力尤為驚人。對于地面工作人員來說,哪怕是戴著最先進的聽力保護設備,也難逃其衍生的危險環(huán)境;而對于機場周邊的居民來說,這樣的噪聲擾亂日常生活事小,拉低了房產價值則是大事。由此便不難理解工程師們?yōu)槭裁聪胍O計出更安靜的飛機引擎,并進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,也就能生產出更安靜的飛機。然而排氣通風裝置所處的極端環(huán)境顯然不滿足實驗設備的工作條件,更別說讓科學家仔細研究測量其中的具體進程了。作為一種先進的計算機模型,復雜的預先仿真在這樣的設計活動中就派上了用場。從這些仿真中獲得的數據既推動著以計算為基礎的科學發(fā)現,也推動著研究人員發(fā)現噪聲的物理性質。

核越多,挑戰(zhàn)越大

“計算流體動力學(CFD)的仿真,比如尼科爾斯所做的工作,是極其復雜的。直到最近,伴隨著擁有百萬核芯的超級計算機的到來,工程師們才能夠快速而準確地制作出噴氣式飛機引擎的模型,并對它們產生的噪聲進行仿真”,CTR的主管帕爾維茲·莫恩(Parviz Moin)說道。

CFD仿真可以全面地測試一臺超級計算機的性能。在仿真過程中傳播的光波,需要計算性能、內存和通信能力的完美平衡,就像一個精心配合的交響樂團一樣。像Sequoia這樣的超級計算機可以將復雜的計算分為更小的部分,從而能實現各部分的同時運算。擁有的計算核芯越多,計算的速度和能承受的復雜度越高。

但千萬不能認為運算從此就變得簡單了,事實上,拋開額外需求的計算功率不說,越來越多的計算核芯反而讓運算變得更具挑戰(zhàn)。在百萬核芯級別下,程序代碼中原本無傷大雅的細微部分也會瞬間成為制約計算的瓶頸。

突破瓶頸

在過去的幾周里,斯坦福的研究人員和LLNL的計算機技術人員一直在共同致力于解決上面所說的這些小問題。上周,他們日夜緊盯著終端在第一次全系統(tǒng)規(guī)模仿真時的表現,來看看首次運行能否達到穩(wěn)定的運行性能。當第一次CFD仿真的初始化通過時,他們已經難掩心中急切,等到代碼性能不斷提高并超越重要的百萬核芯閾值,再加上計算時間有了堪稱“戲劇性”的縮短,他們的激動心情早已溢于言表了。

“這幾次運行的計算能力比CTR之前做過的規(guī)模最大的仿真還要強,至少是一個數量級的提升”,尼科爾斯說,“這對仿真技術的影響是令人難以置信的?！?br />

“回歸”

從各方面來看,這次的仿真實驗對于尼科爾斯都堪稱一次“回歸”。早在1994年,當時還是高中生的他在勞倫斯·利弗莫爾計算設備中心參加了一個暑期項目,這個項目為期兩周,由美國能源部贊助。年輕的尼科爾斯當時在一臺Cray Y-MP型計算機上工作,那也是彼時最強大的超級計算機之一。從那時起,他就立下了深入研究超級計算機的決心。

“Sequoia大約比Cray Y-MP強大一千萬倍”,尼科爾斯說。

這次實驗同樣也是斯坦福大學的一次回歸,而且是更深層次的回歸。在此次研究中用到的計算機代碼被稱為CharLES,是由斯坦福前高級研究助理弗蘭克·漢姆(Frank Ham)開發(fā)的,該代碼利用非結構化網格來模擬復雜幾何結構中存在的湍流。

除了進行噴氣式飛機噪聲的仿真,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)動機推進系統(tǒng)(這是一個前沿概念,意指以多倍于音速的速度飛行),也被用來仿真整個飛機機翼上的湍流。而這些同樣是一個由美國能源部贊助的項目,名為仿真科學學院聯盟計劃(PSAAP)。

世界上有不少超級計算機值得我們關注,下面就來盤點一下目前世界上最強大的十臺超級計算機。

1.天河二號

天河二號是由中國國防科技大學所研發(fā)的超級計算機,其浮點運算速度高達每秒33.86千萬億次,已連續(xù)四次蟬聯世界超級計算機TOP500排行榜第一位,相比第二名“泰坦”速度快了近一倍。天河二號使用的是英特爾Xeon Phi處理器。

2.泰坦

泰坦位于美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室,主要用于科學研究使用。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,速度達到每秒17.5千萬億次浮點運算。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家實驗室的龐然大物曾經位居超級計算機之首,其主要用途是延長老舊核武器的壽命,并展開核聚變相關的實驗。Sequoia使用的是IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),它擁有96個機架,98304個計算節(jié)點、近160萬個處理器核心、內存容量1.6PB(1600TB)。它的速度可達每秒17.1千萬億次浮點運算。

4.K Computer

K Computer是日本排名最高的超級計算機,它位于日本神戶RIKEN計算科學高級研究所,以其每秒10.5千萬次浮點運算速度來“解決當今社會所面臨的能源、可持續(xù)性、醫(yī)療、氣候變化、工業(yè)和空間挑戰(zhàn)”。

5.Mira

Mira是另一臺基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)打造的超級計算機,它位于伊利諾伊州萊蒙特的阿貢國家實驗室,由美國能源部所有。它是能效最高的超級計算機之一,每秒浮點運算速度可達8.58千萬億次。

6.Piz Daint

這臺超級計算機是以阿爾卑斯山脈的代恩特峰所命名,它位于瑞士國家超級計算機中心,使用的是克雷的XC90系統(tǒng),每秒浮點運算速度可達6.27千萬億次。Piz Daint的主要用途是氣候和天氣建模,同時也會被應用于天氣物理、材料科學和生命科學的研究。

7.Stampede

這臺由戴爾打造的超級計算機位于德州高級計算機中心,它的浮點運算速度為每秒5.1千萬億次。它主要被用于藥物物理結構,天氣預報和天體物理。

8.Juqueen

這臺擁有458,752個核心的超級計算機同樣基于IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)所打造,其浮點運算速度為每秒5千萬億次。Juqueen是前十名當中唯一一臺來自德國的超級計算機,它位于德國尤里希研究中心,主要用于神經科學、計算生物學、氣候研究和量子物理學方面的研究。

9.Vulcan

和Juqueen一樣,這臺超級計算機也使用了IBM Blue Gene/Q系統(tǒng),浮點運算速度為每秒4.29千萬億次。它位于加州勞倫斯·利弗莫爾實驗室(LLNL)。最近,LLNL和IBM、Nvidia及Mellanox簽訂了一份新的超級計算機合同,目標是在2017年打造出一臺名叫Sierra的超級計算機,以提升核武器建模的能力,以及消除地下測試的需要。

10.絕密

這是一臺美國政府所有的超級計算機,但和上面這些超級計算機不同的是,它并沒有常規(guī)的代號,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),每秒浮點運算速度為3.57千萬億次。與此同時,它還是目前能效最高的超級計算機。