Page 85 - 《软件学报》2021年第8期

徐顺 等:面向异构计算的高性能计算算法与软件 2367

因此,为了发展国产超级计算系统的应用生态并适应未来 E 级计算的需求,融合国际主流软件的优点并实
现支撑科学计算应用研究的最终目的,非常有必要梳理适配国产高性能计算系统的科学计算应用软件的发展
情况.本文将从高性能计算应用算法和软件的角度,阐述一些典型应用软件核心算法的并行计算特征,并讨论面
对国产异构系统的算法对策及其发展思路.

1 典型高性能计算应用的核心算法与软件特征

高性能计算应用软件种类众多,不可能一一罗列.现以美国国家能源研究科学计算中心(National Energy
Research Scientific Computing Center,简称 NERSC)的计算资源使用情况作为代表来分类.NERSC 是美国能源部
科学局的旗舰科学计算单位,在通过计算加速科学发现的领域处于世界领先地位.图 1 是 2018 年 NERSC 超级
计算机时使用量按学科分布图(数据来源:https://www.nersc.gov/assets/Uploads/2018NERSCAnnualReport.pdf),
可见其超算应用主要集中在地球与环境、化学、材料科学、高能物理、天文/宇宙学等学科领域.

Fig.1 Usage amount in subjects on NERSC supercomputer in 2018
图 1 2018 年 NERSC 超级计算机按学科分的使用量

本文也大致选择以上主要计算应用领域来讨论其中的应用软件核心算法和软件特征.这些领域的研究对
象具有不同的计算问题研究尺度,按尺度量级从大到小排序见表 1.“计算模拟”较“实验”和“理论”两大科学研究
手段有很多优势:可以对不同尺度问题建模,可以对不同数据维度建模,也可以对确定性问题(如偏微分方程)或
非确定性问题(如概率统计问题)建模.以下列举的几大类领域应用将说明相关的建模方式.
Table 1 Scale size of different scientific subjects
表 1 不同科学研究对象的尺度大小
研究对象 尺度量级 量级单位
15
宇宙 光年 10 m
3
地球 千米 10 m
-6
材料组织 微米 10 m
-9
分子原子 纳米 10 m
-15
原子核 飞米 <10 m
-18
基本粒子 阿米 <10 m