构建高效能计算应用支撑软件框架体系　助力应用软件可持续发展——国家863计划课题 “高效能计算应用支撑软件框架体系研究” 成果

2017-03-21

结构网格计算、非结构网格计算、三维组合几何计算和有限元计算是科学与工程计算中普遍采用的四类计算。针对这四类计算，“十二五”国家863计划课题“高效能计算应用支撑软件框架体系研究”研制和发展了四个支撑软件框架，形成高效能计算应用支撑软件框架体系（简称框架体系）（见图1），主要包括面向结构网格计算的JASMIN框架、面向非结构网格计算的JAUMIN框架、面向三维组合计算的JCONGIN框架、面向有限元计算的PHG平台。该课题研究团队由北京应用物理与计算数学研究所曹小林、张爱清、刘青凯、张宝印和中国科学院数学与系统科学研究院张林波等组成。

 课题研究团队基于框架体系，发展形成了并行应用软件研发新途径，即“集成共性研制支撑软件框架，基于框架研制应用软件”。这些框架在并行编程方面，提供分离并行实现细节的并行编程接口和构件化的软件组装技术，支持领域用户以串行编程方式实现物理建模和计算方法，进而研制适应现代超级计算机的数值模拟应用软件；在软件架构上，建立了层次化、构件化应用软件体系结构，实现了并行计算、计算方法、物理建模三者分离，支持多团队协同研发，确保应用软件可持续发展。

课题研究团队针对从千万亿次计算提升到亿亿次计算时遇到的三大瓶颈问题（结点内CPU核共享存储并行计算效率低、CPU核数难以扩展到十万以上、无法使用异构加速计算资源），从高效能数据结构、负载平衡方法与数据传输算法、高效的运行时优化系统、异构协同并行计算四个方面，突破了六级嵌套结构网格数据结构、三级嵌套的负载平衡算法、CPU/MIC异构协同并行计算等支撑亿亿次计算的共性关键技术，建立了面向亿亿次计算的高效能实现技术体系，支撑实现从千万亿次数万核计算到亿亿次数十万核计算的跨越。

四个框架已成功部署并高效适应于重大项目研制的“天河二号”计算机，支持了13个应用软件的快速研制。实际应用于聚变与裂变能源、航空航天飞行器、复杂电磁环境、含能材料与金属材料、大型工程设备结构力学分析等领域。这些程序已在数万、数十万核上开展数值模拟，获得一批重大成果，包括某大型飞机的全机体电磁脉冲屏蔽效能数值模拟分析、大亚湾反应堆屏蔽计算、反应堆包壳材料的辐照性能参数预测、大型装置微振与地震安全性分析、数百原子体系的电子结构全势计算等。

基于框架研制的亿亿次应用软件，3个程序可扩展到94万核（CPU核+MIC核），2个程序可扩展到106万核（主核+从核），8个程序可扩展到10万CPU核以上，数值模拟网格规模超百亿，自由度达千亿，粒子数超千亿。整体来看，课题研究成果促进了我国自主研发应用软件和国产亿亿次计算机的协调发展。