校級高性能計算公共服務(wù)平臺的建設(shè)困局論文
0引言
高性能計算是利用先進(jìn)的計算能力去理解和解決復(fù)雜問題，特別是理論、實驗無法解決或難以解決的科學(xué)問題及大型的、復(fù)雜的、甚至不可重復(fù)和危險的工程設(shè)計和實驗，它可以真實、全過程、全時空、反復(fù)精密地進(jìn)行。隨著計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，計算速度的不斷提高，高性能計算已逐漸成為支撐科學(xué)研究和高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)性交叉學(xué)科，越來越多的科學(xué)研究和重大工程中的關(guān)鍵問題不再是單純依靠理論或?qū)嶒灥姆椒�，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(xué)實驗之后的第三種科研方法與手段，正在廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、工程、材料、電子、環(huán)境、能源等幾乎所有學(xué)科和各個行業(yè)。作為新一代信息技術(shù)，高性能計算在保障國家安全、促進(jìn)科技發(fā)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(biāo)志之一。高性能計算也因此成為《2004-2010年國家科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)綱要》中的平臺建設(shè)重點和《國家“十二五”科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中大力培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
近年來，高性能計算在我國很多領(lǐng)域都取得了巨大發(fā)展，從政府、高校、科研院所到企業(yè)，都深刻認(rèn)識到高性能計算模擬對提高技術(shù)創(chuàng)新能力、加快創(chuàng)新速度、降低開發(fā)成本的重要支撐作用。高校作為科技創(chuàng)新的重要基地，對高性能計算的關(guān)注日益提高，紛紛斥巨資建立校級高性能計算公共服務(wù)平臺，強(qiáng)大的計算能力極大地提升了學(xué)�？蒲泄ぷ鞯哪芰退�，促進(jìn)了相關(guān)教學(xué)、科研工作的開展，高性能計算已成為高校教學(xué)、科研創(chuàng)新的一個基本手段。然而，也有相當(dāng)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(rèn)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(chǎn)生的原因，提出應(yīng)對的合理化建議，從而提高平臺建設(shè)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(wù)平臺建設(shè)、管理和運行中的主要問題
高性能計算公共服務(wù)平臺建設(shè)的目的是為學(xué)校的科研和教學(xué)提供開放性服務(wù)，提高整體科研競爭能力。然而，盡管經(jīng)過漫長的前期準(zhǔn)備:調(diào)研、方案論證、設(shè)備招標(biāo)、安裝調(diào)試等一系列程序，以及巨大的資金投入，許多高�；ù罅饨ㄔO(shè)的計算平臺卻面臨著少人問津的尷尬局面，而產(chǎn)生這種局面的原因主要包括:
1.1一次性投入，建設(shè)周期長，可持續(xù)性差
一次性建設(shè)所有相關(guān)設(shè)施，包括機(jī)房、電力改造、散熱系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等等，投入巨大;從確定方案、設(shè)備采購、安裝調(diào)試、試運行到正式提供服務(wù)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(jī)器實際上已經(jīng)落后了;缺少持續(xù)建設(shè)的規(guī)劃，導(dǎo)致設(shè)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(wù)6-12個月。
1.2一個平臺，一個系統(tǒng)，應(yīng)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(huán)境(體系架構(gòu)等)，也只能支持相應(yīng)的軟件和應(yīng)用，難以滿足教師多樣化的科研應(yīng)用需求。
1.3重視硬件建設(shè)，忽視軟件與應(yīng)用的擴(kuò)展、開發(fā)
“軟硬失衡”是提高高性能計算應(yīng)用效率的瓶頸，硬件與軟件的有效配合才能真正發(fā)揮高性能計算的能量。平臺只負(fù)責(zé)硬件的建設(shè)與維護(hù)，軟件、應(yīng)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(chuàng)新。只有積極地實行自主開發(fā)，才能突破軟件的局限。
1.4缺乏高水平的技術(shù)咨詢與服務(wù)
軟件的安裝、調(diào)試，以及運行中出現(xiàn)的問題，只能由教師自己或求助于軟件供應(yīng)商解決，平臺所提供的咨詢和服務(wù)僅限于硬件相關(guān)的水平。
1.5缺乏專業(yè)的管理和運行團(tuán)隊
硬件的運行、維護(hù)，軟件與應(yīng)用的擴(kuò)展、開發(fā)，資源的管理、調(diào)度，計算模型、方法的優(yōu)化等，都需要一個專業(yè)的團(tuán)隊。目前，很多作為用戶的教師不了解高性能計算相關(guān)的技術(shù)操作，而負(fù)責(zé)運行的技術(shù)人員又不了解學(xué)科應(yīng)用，雙方溝通困難，極大地阻礙了高性能計算的應(yīng)用。
1.6運行成本高，收費標(biāo)準(zhǔn)兩難
現(xiàn)有的投資模式一般是學(xué)校在建設(shè)初期一次性投入，建成后要求平臺能夠獨立發(fā)展，自負(fù)盈虧。平臺只能通過收取機(jī)時費支付運行、維護(hù)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(hù)成本幾乎占到了設(shè)備購置價格的1/4-1/5，根據(jù)成本核算制定的收費標(biāo)準(zhǔn)往往過高，很多潛在用戶負(fù)擔(dān)不起，若單方面地降低標(biāo)準(zhǔn)，又會引發(fā)資金缺口，影響平臺的正常服務(wù)。
1.7缺乏合理有效的運行機(jī)制和管理模式
用戶權(quán)限和優(yōu)先級不同，計算所需的等待時間也不同，缺乏統(tǒng)一的針對用戶和計算任務(wù)的評價標(biāo)準(zhǔn)體系。
2建設(shè)思路與目標(biāo)
高性能計算平臺作為校級公共服務(wù)平臺，目的是為全校相關(guān)學(xué)科提供科學(xué)計算和模擬服務(wù)。良好的管理模式和體系，是使這些昂貴的設(shè)備充分發(fā)揮作用的重要保障。國內(nèi)外高校及科研院所經(jīng)過長期的實踐，有很多值得借鑒的經(jīng)驗，通過學(xué)習(xí)和借鑒這些寶貴經(jīng)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(qū)。
2.1合理設(shè)計，統(tǒng)一規(guī)劃，重視安裝環(huán)境
校級平臺應(yīng)保證持續(xù)的計算能力，合理的建設(shè)方案需要考慮到經(jīng)費、場地，相應(yīng)的附屬設(shè)備，以及總的耗電量。根據(jù)預(yù)期建設(shè)規(guī)模，統(tǒng)一規(guī)劃高性能計算平臺的安裝環(huán)境建設(shè)，包括電力供應(yīng)、空間、散熱等基礎(chǔ)設(shè)施，保證硬件設(shè)備提供持續(xù)服務(wù)和更新的整個過程中，無需進(jìn)行大規(guī)模改造。
2.2持續(xù)投入，分步建設(shè)，保證計算能力不間斷地穩(wěn)定增長
通過長期投入，分階段地建設(shè)具有不同運行環(huán)境的多個主計算平臺，保證計算能力持續(xù)穩(wěn)定地增長。如圖1所示，第一年建設(shè)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(xù)擁有計算能力大致相當(dāng)?shù)?個主計算平臺。平臺提供不間斷地服務(wù)，硬件及系統(tǒng)的更新平穩(wěn)地體現(xiàn)在每年定期的設(shè)備更新維護(hù)中，更新持續(xù)更新，維護(hù)只會引起用戶難以察覺的短暫服務(wù)中斷。在整個服務(wù)周期中，用戶只會感覺到系統(tǒng)資源的增加和使用環(huán)境的微調(diào)，絲毫不會影響其科研進(jìn)度的安排。同時，根據(jù)實際需求，不同平臺可以配置不同系統(tǒng)(體系架構(gòu))，通過多平臺、多系統(tǒng)滿足老師們多樣化的科研應(yīng)用需求。
2.3建立高水平的管理和運行團(tuán)隊，提高技術(shù)支持與服務(wù)能力，重視軟件與應(yīng)用的擴(kuò)展和開發(fā)，實驗技術(shù)隊伍是設(shè)備使用和維護(hù)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(shè)置、薪酬待遇等方面對平臺給予傾斜，吸引高性能計算領(lǐng)域高素質(zhì)專業(yè)人才組建管理和運行團(tuán)隊。通過定期培訓(xùn)和激勵機(jī)制，提高團(tuán)隊的技術(shù)支持與服務(wù)能力，充分發(fā)揮實驗技術(shù)人員在平臺的服務(wù)作用。重視軟件和應(yīng)用的擴(kuò)展和開發(fā)，根據(jù)實際需求，組織軟件和應(yīng)用的購買、安裝和調(diào)試，并協(xié)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(chuàng)新需求進(jìn)行開發(fā)，從而突破現(xiàn)有軟件對科研的限制。
2.4優(yōu)化機(jī)時分配機(jī)制，提高運行效益
用戶預(yù)交機(jī)時費，建立機(jī)時分配賬戶。以年為單位進(jìn)行一次性分配，適當(dāng)優(yōu)先大規(guī)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(shè)備5年滿負(fù)荷運行的機(jī)時。類似于中山大學(xué)“股份制”的建設(shè)模式，學(xué)校出資建設(shè)高性能計算平臺基礎(chǔ)設(shè)施后，引導(dǎo)擬自購計算設(shè)備的老師將資金投入校級平臺，由平臺統(tǒng)一規(guī)劃采購，以機(jī)時分配的形式回饋投入資金的老師，形成用戶與學(xué)校共建的模式，既能避免分散投資、重復(fù)建設(shè)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(jīng)費用于購置高性能計算設(shè)備，經(jīng)費分期到帳，第一年120萬元，其余每年20萬元。假設(shè)第一年向其他課題組預(yù)借經(jīng)費一次性投入200萬元購置服務(wù)器，除掉管理節(jié)點、存儲、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房改造等支出，根據(jù)目前的技術(shù)水平，大約可以購買800核的主流計算能力，經(jīng)過方案設(shè)計、論證、招標(biāo)采購，半年后開始運行服務(wù)。服務(wù)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(dǎo)致的服務(wù)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(jī)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(yè)、系統(tǒng)的技術(shù)支持，以及更多應(yīng)用軟件的使用權(quán)限。
2.5建立科學(xué)有效的運行管理模式
學(xué)術(shù)委員會監(jiān)督下的主任負(fù)責(zé)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(xué)術(shù)委員會，監(jiān)督平臺的各項工作，并對平臺建設(shè)與發(fā)展中的重大事項進(jìn)行決策。設(shè)主任1名，負(fù)責(zé)在學(xué)術(shù)委員會指導(dǎo)下把握平臺的發(fā)展方向，保證其對相關(guān)學(xué)科的支撐作用，聘請專職主任工程師，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人，總體負(fù)責(zé)平臺計算系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)的持續(xù)運行，網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定，軟件、應(yīng)用的調(diào)試與開發(fā)。
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(xué)校老師轉(zhuǎn)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(jù)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(xué)校用戶組，提供針對國家級計算中心的服務(wù)支持，從學(xué)校層面解決老師在使用過程中諸如互聯(lián)帶寬、軟件調(diào)試、授權(quán)共享等服務(wù)支持問題。
3總結(jié)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(jīng)濟(jì)和國家安全的幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域，高性能計算技術(shù)的發(fā)展將有效提升我國在氣候與生態(tài)環(huán)境、航空航天、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域的研究能力，產(chǎn)生重大理論和應(yīng)用突破。高校作為國家科技創(chuàng)新的主體之一，通過借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，整合需求，集中資源建設(shè)校級高性能計算平臺，提供隨需應(yīng)變的高性能計算資源、技術(shù)支持及專業(yè)的技術(shù)咨詢服務(wù)，在實際應(yīng)用中不斷總結(jié)，探索適合我國實際情況的高性能建設(shè)與運行模式，是促進(jìn)、提高高校科研能力的重要保障。
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