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校級高性能計算公共服務平臺的建設困局論文

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  0引言

  高性能計算是利用先進的計算能力去理解和解決復雜問題,特別是理論、實驗無法解決或難以解決的科學問題及大型的、復雜的、甚至不可重復和危險的工程設計和實驗,它可以真實、全過程、全時空、反復精密地進行。隨著計算機軟硬件的飛速發展,計算速度的不斷提高,高性能計算已逐漸成為支撐科學研究和高新技術發展的基礎性交叉學科,越來越多的科學研究和重大工程中的關鍵問題不再是單純依靠理論或實驗的方法,還需要借助于高性能計算的手段。高性能計算已成為繼理論分析和科學實驗之后的第三種科研方法與手段,正在廣泛應用于物理、化學、生物、工程、材料、電子、環境、能源等幾乎所有學科和各個行業。作為新一代信息技術,高性能計算在保障國家安全、促進科技發展等方面具有直接的推動作用,是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。高性能計算也因此成為《2004-2010年國家科技基礎條件平臺建設綱要》中的平臺建設重點和《國家“十二五”科學與技術發展規劃》中大力培育和發展的戰略性新興產業。

  近年來,高性能計算在我國很多領域都取得了巨大發展,從政府、高校、科研院所到企業,都深刻認識到高性能計算模擬對提高技術創新能力、加快創新速度、降低開發成本的重要支撐作用。高校作為科技創新的重要基地,對高性能計算的關注日益提高,紛紛斥巨資建立校級高性能計算公共服務平臺,強大的計算能力極大地提升了學校科研工作的能力和水平,促進了相關教學、科研工作的開展,高性能計算已成為高校教學、科研創新的一個基本手段。然而,也有相當一部分高校的校級計算平臺使用效率不高,造成了資源的浪費。因此,認真研究校級高性能計算平臺在運行、管理中存在的問題,分析問題產生的原因,提出應對的合理化建議,從而提高平臺建設的有效性和使用效益,已成為高校急需考慮和解決的問題。

  1校級高性能計算公共服務平臺建設、管理和運行中的主要問題

  高性能計算公共服務平臺建設的目的是為學校的科研和教學提供開放性服務,提高整體科研競爭能力。然而,盡管經過漫長的前期準備:調研、方案論證、設備招標、安裝調試等一系列程序,以及巨大的資金投入,許多高校花大力氣建設的計算平臺卻面臨著少人問津的尷尬局面,而產生這種局面的原因主要包括:

  1.1一次性投入,建設周期長,可持續性差

  一次性建設所有相關設施,包括機房、電力改造、散熱系統、存儲系統、網絡環境等等,投入巨大;從確定方案、設備采購、安裝調試、試運行到正式提供服務的平均周期需要兩年,而相同成本計算能力的倍增時間約為18個月,剛剛投入使用的機器實際上已經落后了;缺少持續建設的規劃,導致設備更新難度大,不僅又是一筆巨額資金,而且不可避免地要中斷服務6-12個月。

  1.2一個平臺,一個系統,應用難免受到限制

  校級高性能計算平臺往往只是一個單獨的硬件平臺,只提供唯一的運行環境(體系架構等),也只能支持相應的軟件和應用,難以滿足教師多樣化的科研應用需求。

  1.3重視硬件建設,忽視軟件與應用的擴展、開發

  “軟硬失衡”是提高高性能計算應用效率的瓶頸,硬件與軟件的有效配合才能真正發揮高性能計算的能量。平臺只負責硬件的建設與維護,軟件、應用由實際使用的老師提供。軟件已有的功能模塊簡化了計算的操作,但也限制了科研的創新。只有積極地實行自主開發,才能突破軟件的局限。

  1.4缺乏高水平的技術咨詢與服務

  軟件的安裝、調試,以及運行中出現的問題,只能由教師自己或求助于軟件供應商解決,平臺所提供的咨詢和服務僅限于硬件相關的水平。

  1.5缺乏專業的管理和運行團隊

  硬件的運行、維護,軟件與應用的擴展、開發,資源的管理、調度,計算模型、方法的優化等,都需要一個專業的團隊。目前,很多作為用戶的教師不了解高性能計算相關的技術操作,而負責運行的技術人員又不了解學科應用,雙方溝通困難,極大地阻礙了高性能計算的應用。

  1.6運行成本高,收費標準兩難

  現有的投資模式一般是學校在建設初期一次性投入,建成后要求平臺能夠獨立發展,自負盈虧。平臺只能通過收取機時費支付運行、維護所需的各項費用,包括場地、水電、人員薪酬等,每年這些日常的運行維護成本幾乎占到了設備購置價格的1/4-1/5,根據成本核算制定的收費標準往往過高,很多潛在用戶負擔不起,若單方面地降低標準,又會引發資金缺口,影響平臺的正常服務。

  1.7缺乏合理有效的運行機制和管理模式

  用戶權限和優先級不同,計算所需的等待時間也不同,缺乏統一的針對用戶和計算任務的評價標準體系。

  2建設思路與目標

  高性能計算平臺作為校級公共服務平臺,目的是為全校相關學科提供科學計算和模擬服務。良好的管理模式和體系,是使這些昂貴的設備充分發揮作用的重要保障。國內外高校及科研院所經過長期的實踐,有很多值得借鑒的經驗,通過學習和借鑒這些寶貴經驗,高校在新建高性能計算平臺的過程中,可以避免很多誤區。

  2.1合理設計,統一規劃,重視安裝環境

  校級平臺應保證持續的計算能力,合理的建設方案需要考慮到經費、場地,相應的附屬設備,以及總的耗電量。根據預期建設規模,統一規劃高性能計算平臺的安裝環境建設,包括電力供應、空間、散熱等基礎設施,保證硬件設備提供持續服務和更新的整個過程中,無需進行大規模改造。

  2.2持續投入,分步建設,保證計算能力不間斷地穩定增長

  通過長期投入,分階段地建設具有不同運行環境的多個主計算平臺,保證計算能力持續穩定地增長。如圖1所示,第一年建設1個完整的主計算平臺,隨后每兩年建成1個主計算平臺,五年可以建成3個主計算平臺。第六年開始,每兩年退役1個主計算平臺,同時建成1個主計算平臺。因此,五年之后,平臺將持續擁有計算能力大致相當的3個主計算平臺。平臺提供不間斷地服務,硬件及系統的更新平穩地體現在每年定期的設備更新維護中,更新持續更新,維護只會引起用戶難以察覺的短暫服務中斷。在整個服務周期中,用戶只會感覺到系統資源的增加和使用環境的微調,絲毫不會影響其科研進度的安排。同時,根據實際需求,不同平臺可以配置不同系統(體系架構),通過多平臺、多系統滿足老師們多樣化的科研應用需求。

  2.3建立高水平的管理和運行團隊,提高技術支持與服務能力,重視軟件與應用的擴展和開發,實驗技術隊伍是設備使用和維護的核心力量,是平臺日常運行的樞紐和保障。通過職稱評審、崗位設置、薪酬待遇等方面對平臺給予傾斜,吸引高性能計算領域高素質專業人才組建管理和運行團隊。通過定期培訓和激勵機制,提高團隊的技術支持與服務能力,充分發揮實驗技術人員在平臺的服務作用。重視軟件和應用的擴展和開發,根據實際需求,組織軟件和應用的購買、安裝和調試,并協助老師們解決運行中的各種問題,甚至能夠針對老師的科研創新需求進行開發,從而突破現有軟件對科研的限制。

  2.4優化機時分配機制,提高運行效益

  用戶預交機時費,建立機時分配賬戶。以年為單位進行一次性分配,適當優先大規模并行計算用戶,用完為止,不累積。向平臺投入資金的老師分配與其投資額度對等計算設備5年滿負荷運行的機時。類似于中山大學“股份制”的建設模式,學校出資建設高性能計算平臺基礎設施后,引導擬自購計算設備的老師將資金投入校級平臺,由平臺統一規劃采購,以機時分配的形式回饋投入資金的老師,形成用戶與學校共建的模式,既能避免分散投資、重復建設造成的資源浪費,又能保證校級平臺長久、有效地運行。

  舉個例子,課題組5年有200萬元經費用于購置高性能計算設備,經費分期到帳,第一年120萬元,其余每年20萬元。假設第一年向其他課題組預借經費一次性投入200萬元購置服務器,除掉管理節點、存儲、網絡、機房改造等支出,根據目前的技術水平,大約可以購買800核的主流計算能力,經過方案設計、論證、招標采購,半年后開始運行服務。服務器的使用周期一般為5年,5年總計4000核年的計算能力,考慮到運行中各種問題導致的服務中斷,實際使用的計算能力約為20-80%,甚至可能更低。若委托科研人員兼職管理,5年的成本約為300萬元(年均電費20萬元),還要附加1間機房和1個科研人員,而收益僅為800-3200核年的計算能力。若采用校級高性能計算平臺,只需投入200萬元,可收益4000核年以上的計算能力,而且能夠獲得更加專業、系統的技術支持,以及更多應用軟件的使用權限。

  2.5建立科學有效的運行管理模式

  學術委員會監督下的主任負責制是能夠保證平臺公平、有序、高效運行的,行之有效的管理模式。成立專門的學術委員會,監督平臺的各項工作,并對平臺建設與發展中的重大事項進行決策。設主任1名,負責在學術委員會指導下把握平臺的發展方向,保證其對相關學科的支撐作用,聘請專職主任工程師,作為技術負責人,總體負責平臺計算系統、存儲系統的持續運行,網絡的安全與穩定,軟件、應用的調試與開發。

  2.6積極開展與國家級計算中心的合作

  由于高校高性能計算需求的多樣性,校級高性能計算平臺可能無法滿足所有用戶要求,因此,鼓勵學校老師轉移部分計算需求,充分利用國家級計算中心的計算能力。根據用戶的需求分類,由校級高性能計算平臺牽頭與國家級計算中心合作,建立學校用戶組,提供針對國家級計算中心的服務支持,從學校層面解決老師在使用過程中諸如互聯帶寬、軟件調試、授權共享等服務支持問題。

  3總結與展望

  作為理論分析和實驗之外的第三種科研手段,高性能計算已深入我國國民經濟和國家安全的幾乎所有應用領域,高性能計算技術的發展將有效提升我國在氣候與生態環境、航空航天、材料科學、基礎物理等領域的研究能力,產生重大理論和應用突破。高校作為國家科技創新的主體之一,通過借鑒國內外先進經驗,整合需求,集中資源建設校級高性能計算平臺,提供隨需應變的高性能計算資源、技術支持及專業的技術咨詢服務,在實際應用中不斷總結,探索適合我國實際情況的高性能建設與運行模式,是促進、提高高校科研能力的重要保障。

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