并行计算机与并行计算

并行计算机与并行计算第一页，共四十一页，2022年，8月28日情况介绍分子反应动力学国家重点实验室交叉分子束动力学课题组理论与计算化学国际合作中心研究员2人，其中一位为中国科学院院士，高级访问学者1人，博士后研究人员6人，博士研究生18人，硕士研究生4人与多个国际学术团队有很好的合作，与纽约大学化学系张增辉教授合作建立理论与计算化学国际合作研究中心第二页，共四十一页，2022年，8月28日主要研究工作实验方面：

交叉分子束对光解，碰撞反应，立体化学动力学的研究激光诱导荧光方法对光解，立体化学动力学的研究飞秒激光对超快动力学过程的研究理论方面：

准经典轨线方法对反应动态学的研究量子力学方法对反应动态学的研究复杂体系势能面的构造，拟和量子化学及其他方法对分子结构，物质特性，化学反应过程的研究1997-2001年，发表文章84篇，其中英文66篇第三页，共四十一页，2022年，8月28日HPCServer第四页，共四十一页，2022年，8月28日并行计算机与并行计算为什么要建造并行计算机并行计算机的类型什么是并行计算，并行进程的特性及并行模型的分类工作站集群(COW)的基本结构中国科学院十五计划中关于并行计算部分第五页，共四十一页，2022年，8月28日为什么要建造并行计算机第六页，共四十一页，2022年，8月28日什么是超级计算环境超级计算（Supercomputing），从技术的意义上说，是为了在问题的求解上具有更快的速度、更高的精度、更大的规模、更好的性能价格比而采用的非主流计算的设施和方式。第七页，共四十一页，2022年，8月28日计算速度的要求问题:科学和工程问题的数值模拟与仿真计算密集数据密集网络密集三种混合要求:在合理的时限内完成计算任务秒级 制造业分钟级 短时天气预报(当天)小时级 中期天气预报(3~10日)尽可能快 长期天气预报(气候)可计算 湍流模拟第八页，共四十一页，2022年，8月28日问题的规模第九页，共四十一页，2022年，8月28日计算机的规模:TOP10(2001年7月)第十页，共四十一页，2022年，8月28日IBMBuildsWorld'sFastestSupercomputertoSimulateNuclearTestingforU.S.EnergyDepartment第十一页，共四十一页，2022年，8月28日以动物的食物链为例第十二页，共四十一页，2022年，8月28日第十三页，共四十一页，2022年，8月28日打破高性能计算的壁垒210021002100210021002100210021002100单处理器共享存储局域并行机群广域并行机群G

F

L

O

P

S第十四页，共四十一页，2022年，8月28日并行计算机分类第十五页，共四十一页，2022年，8月28日Flynn分类法SISD（单指令流单数据流）系统SIMD（单指令流多数据流）系统MISD（多指令流单数据流）系统MIMD（多指令流多数据流）系统五种物理机模型:实际的机器体系结构

PVP(ParallelVectorProcessor,并行向量机)

SMP(SymmetricMultiprocessor,对称多处理机)

MPP(MassivelyParallelProcessor,大规模并行处理机)

COW(ClusterofWorkstation,工作站机群)

DSM(DistributedSharedMemory,分布共享存储多处理机)第十六页，共四十一页，2022年，8月28日几种我们常见的并行计算机CPUCPUCPU…总线或交叉开关SM(a)SMP,物理上单一地址空间CPUCPUCPU…定制网络LMLMLM虚拟分布共享存储(DSM)(b)DSM,逻辑上单一地址空间P/CP/CP/C…定制/标准网络LMLMLM(c)Cluster/COW,物理/逻辑上多地址空间SMPMPPMPP…WANLMDSMSM(d)Grid(ClusterofClusters)第十七页，共四十一页，2022年，8月28日什么是并行计算，并行进程的表述及并行模型的分类第十八页，共四十一页，2022年，8月28日什么是并行计算进程1发送信息进程2接收信息传统的串行计算，分为“指令”和“数据”两个部分，并在程序执行时“独立地申请和占有”内存空间，且所有计算均局限于该内存空间。

并行计算将进程相对独立的分配于不同的节点上，由各自独立的操作系统调度，享有独立的CPU和内存资源（内存可以共享）；进程间相互信息交换通过消息传递；

进程1

进程2

第十九页，共四十一页，2022年，8月28日并行算法的表述在并行算法的表述中，所有描述串行算法的语句及进程均可调用，而只是为了表达并行性而引入几条所谓的并行语句当几个算法步要并行执行时，我们可以写作

Dostepitojinparallel

step

i

step

i+1 …

stepj或者是：当几个处理器同时执行相同的操作时，我们可以写作

foralliparalleldo . . . endfor第二十页，共四十一页，2022年，8月28日例如n=2**k个数的求和输入：n=2**k个数存入数组A中输出：S=sigma(A(i))begin(1)fori=1to4paralleldo B(i)A(i)endfor(2)forh=1tologn=2do fori=1ton/2**h=1paralleldo B(i)B(2i-1)+B(2i) endforendfor(3)SB(i)end把每一个A(i)赋给B(i)n=4,k=2,就是4个数的加和h=1to2h=1I=1to2(4/2**1) B(1)B(1)+B(2)B(2)B(3)+B(4)h=2I=1to1(4/2**2) B(1)B(1)+B(2)SB(1)若有2**2=4个处理器，则在1(h)级可能的并行运算数目为4/2**1=2.则运算任务分摊给前两个处理器第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日硬件结构抽象模型(自然模型)共享存储的模型和语言(适于PVP,SMP,DSM)X3H5,PthreadOpenMP消息传递的模型和语言(适于MPP,Cluster,COW)MPI(Fortran,C,Gamess,Vasp)PVM(Fortran,C)数据并行的模型和语言(适于在MPP/Cluster上实现SPMD应用)Fortran90HPF(HighPerformanceFortran)并行模型的分类第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日基于程序构造的模型CSPLinda（Fortran,C,Gaussian）Global(Molpro，Columbus)基于问题描述的模型GAMMAUNITY基于并行计算理论的模型PRAMBSPLogP第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日Yale大学NicholasCarriero和DavidGelernter于1986年基于分散数据结构和共享存储系统的并行计算模型.

Linda模型定义了一个功能强大的逻辑存储器(TS)和在其上的一组核心操作(in,out,read,eval),它们能够方便地嵌入到不同的语言(如,C,Fortran)中而构成相应的并行语言(C-Linda和Fortran-Linda等)该模型同时还支持动态程序设计和两种不同的编程风格(Master/Slaver和Divide-and-Conquer),为用户开发不同类型的应用程序提供了灵活的手段.Linda模型第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日（进程从TS中提取任务或数据进行计算,并将结果或生成的新任务放入TS中.并行执行的进程之间通过TS进行间接的通信和同步.TS是一个可被多个进程共享的、能同时存放数据和任务的数据箱）TS共享数据箱进程2进程4进程3进程1第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日Linda模型的应用－LindainGaussianHF:SPOptFreqMP2:SpOptFreqDFT:SPOptFreq－可以将串行代码改编为并行代码支持C和Fortran语言第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日

MPI已经成为一种标准，应用越来越广泛。而最流行的MPI工具集当属mpich〔/mpi/mpich〕，是目前高效率的超大规模并行计算（1000个处理器）最可信赖的平台。在当前所有的消息传递软件中,最重要最流行的是MPI,它能运行在所有的并行平台上,包括SMP和PVP.二者已经在WindowsNT和Windows95这样的非Unix平台上实现.程序设计语言支持C,Fortran和Java.在国产的三大并行机系列神威、银河和曙光上都实现了对MPI和支持.MPI(MessagePassingInterface)MPI模型目标:是提供一个实际可用的、可移植的、高效的和灵活的消息传递接口标准.MPI以语言独立的形式来定义这个接口库,并提供了与C、Fortran和Java语言的绑定.这个定义不包含任何专用于某个特别的制造商、操作系统或硬件的特性.由于这个原因,MPI在并行计算界被广泛地接受.第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日MPI并行程序设计平台由标准消息传递函数及相关辅助函数构成，多个进程通过调用这些函数（类似调用子程序），进行通信；一个程序同时启动多份，形成多个独立的进程，在不同的处理机上运行，拥有独立的内存空间，进程间通信通过调用MPI函数来实现；每个进程开始执行时，将获得一个唯一的序号（rank）。例如启动P个进程，序号依次为0，1，…，P-1；MPI并行进程的实现第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日消息传递是相对于进程间通信方式而言的，与具体并行机存储模式无关，任何支持进程间通信的并行机，均可支持消息传递并行程序设计；几乎有共享和分布存储并行计算环境均支持进程间的消息传递通信；进程0发送一个整数给进程1；进程1将该数加1，传递给进程2；进程2再将该数加1，再传递给进程3；依次类推，最后，进程N-1将该数传递给进程0，由进程1负责广播该数给所有进程，并打印输出。进程1传递信息进程3传递信息进程2传递信息进程0传递信息第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日在商品化的并行机上,MPI的环境一般是由系统管理人员事先设置好的，

用户不需要变动它.而在用户自已配置的NOW(工作站机群)上运行MPI程序

则需要设置以下配置文件：

(1)由于加载程序到结点上运行需要调用了Unix系统的rsh命令，所以

需要在每个结点上设置.rhosts文件，以使rsh能正确执行；

(2)由于NOW环境的异构性，需要在启动时指定运行结点的体系结构；

若未指定，是指使用与启动并行程序的结点具有相同体系结构的结点.

在启动并行程序的机器里，具有相同体系结构的几台机器的名字存放

在一个名为$MPICH/util/machines/machines.<arch>的文件中，一台

机器的名字占有文件的一行，其中$MPICH是一个环境变量，指明MPICH

软件安装后所在的目录.并行程序加载运行时是按照文件中机器名字的

先后顺序依次加载的.

商业机中的MPI第三十页，共四十一页，2022年，8月28日程序用以下并行C编译器mpcc来编译:执行下列命令将可执行程序myprog加载到n个节点上:mpccmyprog.c–omyprogmpirunmyprog–npn

MPI进程是重型的单线进程.它们拥有不同的地址空间.因此,一个进程不能直接访问另一个进程地址空间中的变量.进程间的通信用消息传递来实现.MPI的编译与运行第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日工作站集群(COW)的基本结构第三十二页，共四十一页，2022年，8月28日

COW简介工作站机群（ClusterofWorkstation）是将一群工作站用某种结构的网络互联起来，充分利用各工作站的资源，统一调度、协调处理，以实现高效并行计算。通信原语库以及并行程序设计环境工具:

MPI、PVM、linda互联网络：

LAN（MyricomMyrinet/Gigabite/Ethernet）节点：

高档微机，对称多处理机SMP操作系统：

Unix、Linux、NT、改进和修改的操作系统通信协议：

TCP/IP、特定的协议第三十三页，共四十一页，2022年，8月28日

基本实现原理1网络文件系统NFS(Unix、Linux)、网络驱动器(Windows)，MFS(Mosixkernel)...2网络信息服务NIS(Unix、Linux)、NIS+(Solaris)、域（NT）3并行开发环境及编译器MPI、PVM，Linda,HPF,GNUGCC/G77

…4数学库

FreeScalapack...5通信软件

FreeMyricomGM6作业管理

GNUOpenPBS7系统管理

GNUSCMS8监控管理

GNUOSCAR9负载均衡

Mosix第三十四页，共四十一页，2022年，8月28日Ø

软件配置：操作系统：每一个节点都装有多用户，多任务的RH7.2linux(2.4.19)网络文件系统：NFS，MFS网络信息系统：NIS编译器：GNUC,GNUFortran77,AbsoftF95F90F77,PGIF90F77CC++并行开发环境：LINDA,MPI负载均衡：Mosix数据并行语言高性能编译器和运行库：HF77,PGIHPF，FreeScalapack计算软件：ParallelizedGaussian98A.9(withLindasupport),Gamess,Molpro,各种自编程序和交流程序HPCServer第三十五页，共四十一页，2022年，8月28日中国科学院十五计划中关于并行计算部分第三十六页，共四十一页，2022年，8月28日中国科学院网络信息中心高性能计算研究室现有计算设备：－PowerChallengeXL并行对称多处理系统－日立SR2201