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《158_客運專線ctcs-2級列控系統(tǒng)列控中心技術(shù)規(guī)范(打印稿)(07.09.14修改)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、通用GPU在高性能計算中的應(yīng)用一、背景概述現(xiàn)代科研過程已經(jīng)在很大程度上倚賴于高性能數(shù)值模擬計算，通過數(shù)值離散用于描述各種問題的復(fù)雜方程并在計算機上高速求解，不僅解決了許多過去手工理論計算不能求解的問題，而且在很大程度上可以代替實地試驗，有著直接、精確、快速的特點，同時易于和自動化設(shè)計、制造相結(jié)合，從而實現(xiàn)整個科研過程的無紙化，自動化，極大地節(jié)約了資源并提高了工作效率。數(shù)值模擬計算和理論計算、試驗測量并稱科學(xué)研究3大方法。隨著科學(xué)復(fù)雜度的提高和需求領(lǐng)域的增多，數(shù)值模擬對計算性能要求也越來越高，因此數(shù)值計算又可以稱為高性能數(shù)值計算。基于數(shù)值計算程序偏重于運行速度和編程人員群體
2、同時又是科研人員的的特殊性，因此在程序開發(fā)模型短期內(nèi)難以有較大提升的情況下，其核心就是要求計算機硬件計算水平的快速提高。二、高性能計算機分類及其特點因用戶的需求水平和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)能力的不同，計算機的購買也會有很大差別，從實用角度來看，高性能計算機可以用下面幾條標(biāo)準(zhǔn)來衡量：a、硬件運行速度越高越好，從而盡可能縮短計算時間，提高計算效率；b、硬件使用成本包括購買費用、電費盡可能要低；c、計算機管理維護復(fù)雜度、管理費用、機器折舊費等越低越好，或者說使用效率/使用成本越高越好；d、程序開發(fā)復(fù)雜度和難度越低越好；e、任務(wù)是否飽滿；依上述標(biāo)準(zhǔn)，高性能計算機一般可以如下分為3個水平：2.1
3、、超級計算機超級計算機一般是指計算速度在幾十萬億次級別以上的計算機，是一個國家科技、經(jīng)濟和國防的綜合實力的體現(xiàn)。各國之間對超級計算機的競爭十分激烈，具體情況可以從TOP500的排名變動情況來得到驗證，目前最快的超級計算機“走鵑”為美國IBM制造，其速度超過了1000萬億次，另外還有幾套著名的超級計算機如美國的“藍色基因”、“紅色風(fēng)暴”以及日本的“地球模擬器”，我國曙光公司也建造了幾套超級計算機，其最新成果是最近在上海高性能計算中心建成的“魔方”，其計算速度超過了100萬億次，這些超級計算機為上述國家的高科技研究和極端工業(yè)設(shè)計提供了有力的計算保證。超級計算機的優(yōu)點是性能強悍
4、，可以迅速有效地求解各種復(fù)雜的方程，為一個國家的科技發(fā)展提供強有力的計算資源保證；工作狀態(tài)穩(wěn)定，可長時間甚至幾十年連續(xù)運行而不停機。缺點是投資、管理及運行費用巨大，維護困難，一般單位負(fù)擔(dān)不起相關(guān)購買和維護費用甚至使用費用，更新?lián)Q代速度極快，性價比很低；超級計算機的特點決定了其工作負(fù)荷必須飽滿，而且不能停機，否則會極大地浪費資源，這就需要努力地安排各種計算任務(wù)，盡量發(fā)揮計算機的性能。這也決定了每個國家一般也只是建造一套或數(shù)套，用來保證本國高科技研究和極端工業(yè)設(shè)計的發(fā)展。2.2松散集群機一般科研單位一方面對超級計算機的需求量不大，另一方面普通的高性能PC單機又滿足不了計算需求
5、，其對計算能力的要求是：a、性能較高，可以滿足對中小型任務(wù)的快速計算；b、價格低廉，經(jīng)費一般在10萬元以下；c、管理要盡量簡單靈活；那么由若干普通商品PC機通過組網(wǎng)形式，利用特殊軟件平臺組成的松散集群是常用的形式。其優(yōu)點是組裝形式靈活，購置費用相對低廉，管理也比較簡單，性能也相對足夠，因此是現(xiàn)在各個常規(guī)科研院所通常所采用的形式。其缺點是空間占用較大，噪音較大，功耗較高，需要建設(shè)專門機房并安裝空調(diào)設(shè)備；故障發(fā)生率也比較高，因此系統(tǒng)的安裝、管理以及維護需要有專人負(fù)責(zé)；還有若組建的規(guī)模較大，其費用也很可觀，一般需要十幾萬元到幾十萬不等；另外就是編寫的程序的結(jié)構(gòu)和算法需要做專門的
6、并行化改寫，編程難度系數(shù)較串行程序提高很多；加上其多人共享資源的屬性，導(dǎo)致了研究人員必須為使用資源而爭搶，工作效率被降低，得到的計算結(jié)果延遲，不利于個人或小團隊的實時計算需求，容易與科研過程脫鉤。2.3個人計算機這里是對小型服務(wù)器、工作站、高性能PC機的統(tǒng)稱，這一類的特點是體積小，可隨意擺放；CPU個數(shù)少，一般只有一個；配置簡單，使用方便。相對前面2類的專業(yè)化和復(fù)雜性，這一類是日常科研計算應(yīng)用最多的，其優(yōu)點是靈活易用，計算能力不錯，可以勝任日常辦公和小型的計算任務(wù)；缺點是如果計算任務(wù)規(guī)模稍大，花費的計算時間則急劇升高，難以勝任快速計算要求，如果任務(wù)規(guī)模和數(shù)量稍大，此時就需
7、要借助于前面2種類型的計算機。2.4總結(jié)對于高性能數(shù)值計算，其關(guān)注核心是計算機硬件對高精度浮點數(shù)的穩(wěn)定處理速度和I/O吞吐能力，對其它的方面并不是很關(guān)心，以往主要依靠的是CPU性能的提升，造成以上三類高性能計算機性能的提升主要依靠CPU，而CPU的通用目的設(shè)計要求決定了其用于處理浮點數(shù)的部分僅占全部功能的一小部分，為了增加計算速度，只能依靠增加CPU個數(shù)進而增加計算機的并行度來解決，這也是每臺超級計算機動輒擁有上萬甚至上十萬個CPU的原因，如美國Sandia國家實驗室的“紅色風(fēng)暴”使用了13277顆2.4GHz雙核心Opter
