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随着计算机科学技术突飞猛进的发展,计算物理已经成为物理学研究过程中与理论物理,实验物理同等重要的研究方向.计算物理经常需要对海量的数据进行复杂的计算,其对处理器的浮点运算能力、I/O性能、内存容量以及带宽都要求较高.与此同时,呈数量级增长的数据对计算机硬件也提出了更大的挑战.无论是单台计算机还是超级计算机,因构架扩展的局限性或高额的经济成本,已无法满足科学计算的需求.计算机集群因其高速的运算性能、良好的兼容性及可扩展性,逐渐被科学计算领域所认同.
中科院近代物理研究所一直以重离子核物理基础研究和相关领域的交叉研究为主要学科方向,相应发展加速器物理及核技术.目前,中科院近物所超算中心已具有深腾7000G超级计算集群一套,胖节点集群一套,专用工作站集群一套以及终端集群一套.其中深腾7000G超级计算集群是CPU/GPU混合集群,其余均是自建.
自建集群搭建
硬件搭建
中科院近代物理研究所超级计算中心自主搭建的CPU集群,共有22个节点及一个24口千兆交换机.22个节点中一个作为管理节点,其余均为计算节点.每个计算节点配置如下：InLel Q6600CPU处理器一个．2GB内存、160GB硬盘.管理节点装有两块网卡,一块连接对外以太网,一块连接集群节点间组成的局域网.连接方式如图1所示.
软件安装
集群所有节点（含管理节点）均安装RHEL5.6操作系统,采用PXE+KickSTart的无人值守批量安装方式,这样除一个服务器节点外,其余节点无需光驱或者软驱.之后,大量的计算机采用网络安装Linux操作系统,不仅提高效率,而且节点相同的配置也利于以后集群系统的维护.
PXE+KickSTart的安装需要DHCP和TFTP服务,将其配置于管理节点,KickSTart所生成的ks.cfg配置文件,存放在系统安装文件服务器Server上,安装节点主机需PXE支持的网卡.服务器依次配置IP地址、DHCP服务、TFIT服务及NFS服务,之后配置ks．cfg文件.ks．cfg文件是待安装机器所有的配置文件,每台机器在安装Linux系统后都会自动生成ks.cfg,并记录系统安装时所做的每一步操作.然后配置共享的文件夹及PXE启动方式.保存后重启,安装自动完成.
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集群服务的配置
管理节点一块网卡接外网,另一块接交换机,交换机用于连接计算节点所组成的局域网中的每个客户端.每个计算节点的I P地址配置好后,安装SSH,并生成公钥和私钥,之后将.SSH文件夹复制到集群其他节点上,验证是否所有节点之间可以SSH无论文范文登录.
在之前安装操作系统时用到了NFS服务,NFS是Network File Svstem的简称,它的最大特点是可以通过网络让不同的机器彼此共享文件.在Client端扫描可以使用的Server共享目录,之后建立挂载点,使用mount命令挂载远程共享目录,并验证所有节点是否已共享成功.
集群用户的集中管理通过NIS服务实现,其将所有用户帐户信息放置在一台服务器上进行集中验证.NIS服务器的应用结构分为NIS服务器和NIS客户机两个角色.服务器端的配置需要建立NIS域名,以便该服务器主机能够进行正确的网络配置.需要注意的是,该服务器主机中对本地用户*、组*等信息（文件）更改后需要重新构建数据库文件的内容,否则其客户端主机获得的信息不会自动更新.
作业管理使用的是本地集群调度器torque,它代码开放、免费获取,支持批处理、交互式作业及串行、多种并行作业.安装配置好Torque之后,只需在Server上用脚本提交作业,提交的任务会形成任务队列,依次执行,有效地分配资源,避免资源竞争.
深腾7000G集群管理
硬件架构
深腾7000G服务器是专为连接GPU设计的,采用基于Intel架构的商用服务器,通过高速通信网络实现节点间互连,能够很好地支持大规模科学工程计算,具有结点选择丰富灵活、机群域网专业高效、基础架构完备可靠与机群管理简洁实用等技术优点.
深腾7000G系统峰值浮点计算能力为每秒200万亿次.全机由1个接入控制台、100个计算节点、1个存储I/O节点以及计算网络、存储网络、管理网络共同组成,外部文件存储由50TB容量的磁盘阵列组成.节点配置
深腾7000G的计算节点均包含2个Xeon E5504CPU处理器及2个TeslaC1060GPU处理器,2GB内存,500GB硬盘,最多可以同时运行200个CUDA程序.
深腾7000C集群安装的操作系统为Red Hat Enterprise Linux Server release 5.6,提供给用户的并行计算环境有MPICH、Intel MPI等.为了有效利用该集群众多GPU所提供的计算能力,集群还提供了CUDA-SDK和CUDA-Toolkit等相关GPU开发平台.
深腾7000G集群采用了著名的开源作业处理系统Torque+Maui的资源管理组合,同时部署了ganglia监控系统,便于系统管理员和用户实时了解集群的相关运行状况.应用管理
CPU不仅具有可编程能力,而且还具备高强度并行计算能力,在大规模和多网格计算上有很好的优势,深腾7000G集群的CPU/GPU混合构架,能够满足科学计算中多尺度结构离散模拟对高性能计算系统的苛刻需求.目前在深腾7000G上已经开发和正在开发的应用有：加速器束流模拟研究、离子束与物质相互作用研究、重离子束与物质相互作用后的缺陷扩散研究、材料的力学性质研究、加速器模拟研究、流体力学模拟研究及分子动力学研究等.
深腾7000G的应用已为近物所超算中心发展高性能计算发挥了重要作用,目前得到的结果显示,GPU相比CPU具有较高的加速比和并行效率.为了更大程度提高程序的并行效率,要求所编写的并行算法中尽量实现并行化,程序有较好的负载均衡,减少网络通信.这将是程序开发人员所面临的更大挑战.
高性能计算机在科研工作中的应用必不可少.在物理学研究过程中,经常需要采集海量的数据,进行大量实验,但是庞大的实验数据,高昂的实验成本,已成为当今物理学快速发展的瓶颈,而高性能计算集群很好地解决了这些问题.因此,发展高性能计算集群势在必行.
（作者单位1为中国科学院近代物理研究所,2为兰州大学信息科学与工程学院）
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