CFD与超级计算机

预测超音速喷气飞机引擎产生的噪声是一个复杂的流体动力学问题。日前,斯坦福大学湍流研究中心(CTR)的研究人员在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)里,用一台基于Bluegene/Q架构的IBM Sequoia百万核芯计算机成功解决了这个问题,与此同时,他们也创下了一项计算机科学界的新纪录:首次突破了超级计算的“百万核瓶颈”。

研究人员本次使用的IBM Sequoia超级计算机曾一度问鼎全球超级计算机排行榜,它基于BlueGene/Q架构,拥有多达1572864个计算核芯(处理器)和1.6PB(1PB=1024TB)的内存,处理器与内存之间通过一个高速五维环面互连。

CTR的助理研究员约瑟夫·尼科尔斯(Joseph Nichols)有幸能利用Sequoia进行工作,这一次,尼科尔斯证实了百万核芯级别的流体动力学仿真计算是可行的,人们也能够利用它设计出更安静的飞机发动机。

为什么要进行这样的仿真?

高性能飞机的排气通风装置是最强的人造噪声源之一,当飞机在起飞和降落时其威力尤为惊人。对于地面工作人员来说,哪怕是戴着最先进的听力保护设备,也难逃其衍生的危险环境;而对于机场周边的居民来说,这样的噪声扰乱日常生活事小,拉低了房产价值则是大事。由此便不难理解工程师们为什么想要设计出更安静的飞机引擎,并进行这样的仿真工作了。

有一种思路是改变排气口的形状,从源头上减少噪声,也就能生产出更安静的飞机。然而排气通风装置所处的极端环境显然不满足实验设备的工作条件,更别说让科学家仔细研究测量其中的具体进程了。作为一种先进的计算机模型,复杂的预先仿真在这样的设计活动中就派上了用场。从这些仿真中获得的数据既推动着以计算为基础的科学发现,也推动着研究人员发现噪声的物理性质。

核越多,挑战越大

“计算流体动力学(CFD)的仿真,比如尼科尔斯所做的工作,是极其复杂的。直到最近,伴随着拥有百万核芯的超级计算机的到来,工程师们才能够快速而准确地制作出喷气式飞机引擎的模型,并对它们产生的噪声进行仿真”,CTR的主管帕尔维兹·莫恩(Parviz Moin)说道。

CFD仿真可以全面地测试一台超级计算机的性能。在仿真过程中传播的光波,需要计算性能、内存和通信能力的完美平衡,就像一个精心配合的交响乐团一样。像Sequoia这样的超级计算机可以将复杂的计算分为更小的部分,从而能实现各部分的同时运算。拥有的计算核芯越多,计算的速度和能承受的复杂度越高。

但千万不能认为运算从此就变得简单了,事实上,抛开额外需求的计算功率不说,越来越多的计算核芯反而让运算变得更具挑战。在百万核芯级别下,程序代码中原本无伤大雅的细微部分也会瞬间成为制约计算的瓶颈。

突破瓶颈

在过去的几周里,斯坦福的研究人员和LLNL的计算机技术人员一直在共同致力于解决上面所说的这些小问题。上周,他们日夜紧盯着终端在第一次全系统规模仿真时的表现,来看看首次运行能否达到稳定的运行性能。当第一次CFD仿真的初始化通过时,他们已经难掩心中急切,等到代码性能不断提高并超越重要的百万核芯阈值,再加上计算时间有了堪称“戏剧性”的缩短,他们的激动心情早已溢于言表了。

“这几次运行的计算能力比CTR之前做过的规模最大的仿真还要强,至少是一个数量级的提升”,尼科尔斯说,“这对仿真技术的影响是令人难以置信的。”

“回归”

从各方面来看,这次的仿真实验对于尼科尔斯都堪称一次“回归”。早在1994年,当时还是高中生的他在劳伦斯·利弗莫尔计算设备中心参加了一个暑期项目,这个项目为期两周,由美国能源部赞助。年轻的尼科尔斯当时在一台Cray Y-MP型计算机上工作,那也是彼时最强大的超级计算机之一。从那时起,他就立下了深入研究超级计算机的决心。

“Sequoia大约比Cray Y-MP强大一千万倍”,尼科尔斯说。

这次实验同样也是斯坦福大学的一次回归,而且是更深层次的回归。在此次研究中用到的计算机代码被称为CharLES,是由斯坦福前高级研究助理弗兰克·汉姆(Frank Ham)开发的,该代码利用非结构化网格来模拟复杂几何结构中存在的湍流。

除了进行喷气式飞机噪声的仿真,CharLES代码还被斯坦福的研究人员用于研究高超音速飞行的超燃冲压发动机推进系统(这是一个前沿概念,意指以多倍于音速的速度飞行),也被用来仿真整个飞机机翼上的湍流。而这些同样是一个由美国能源部赞助的项目,名为仿真科学学院联盟计划(PSAAP)。

世界上有不少超级计算机值得我们关注,下面就来盘点一下目前世界上最强大的十台超级计算机。

1.天河二号

天河二号是由中国国防科技大学所研发的超级计算机,其浮点运算速度高达每秒33.86千万亿次,已连续四次蝉联世界超级计算机TOP500排行榜第一位,相比第二名“泰坦”速度快了近一倍。天河二号使用的是英特尔Xeon Phi处理器。

2.泰坦

泰坦位于美国能源部下属的橡树岭国家实验室,主要用于科学研究使用。它基于克雷公司的XK7系统所打造,使用了Nvidia Tesla GPU和AMD Opteron CPU,速度达到每秒17.5千万亿次浮点运算。到2018年,泰坦将被IBM的Summit所替代。

3.Sequoia

这部置于加州劳伦斯伯克利国家实验室的庞然大物曾经位居超级计算机之首,其主要用途是延长老旧核武器的寿命,并展开核聚变相关的实验。Sequoia使用的是IBM Blue Gene/Q系统,它拥有96个机架,98304个计算节点、近160万个处理器核心、内存容量1.6PB(1600TB)。它的速度可达每秒17.1千万亿次浮点运算。

4.K Computer

K Computer是日本排名最高的超级计算机,它位于日本神户RIKEN计算科学高级研究所,以其每秒10.5千万次浮点运算速度来“解决当今社会所面临的能源、可持续性、医疗、气候变化、工业和空间挑战”。

5.Mira

Mira是另一台基于IBM Blue Gene/Q系统打造的超级计算机,它位于伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室,由美国能源部所有。它是能效最高的超级计算机之一,每秒浮点运算速度可达8.58千万亿次。

6.Piz Daint

这台超级计算机是以阿尔卑斯山脉的代恩特峰所命名,它位于瑞士国家超级计算机中心,使用的是克雷的XC90系统,每秒浮点运算速度可达6.27千万亿次。Piz Daint的主要用途是气候和天气建模,同时也会被应用于天气物理、材料科学和生命科学的研究。

7.Stampede

这台由戴尔打造的超级计算机位于德州高级计算机中心,它的浮点运算速度为每秒5.1千万亿次。它主要被用于药物物理结构,天气预报和天体物理。

8.Juqueen

这台拥有458,752个核心的超级计算机同样基于IBM Blue Gene/Q系统所打造,其浮点运算速度为每秒5千万亿次。Juqueen是前十名当中唯一一台来自德国的超级计算机,它位于德国尤里希研究中心,主要用于神经科学、计算生物学、气候研究和量子物理学方面的研究。

9.Vulcan

和Juqueen一样,这台超级计算机也使用了IBM Blue Gene/Q系统,浮点运算速度为每秒4.29千万亿次。它位于加州劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)。最近,LLNL和IBM、Nvidia及Mellanox签订了一份新的超级计算机合同,目标是在2017年打造出一台名叫Sierra的超级计算机,以提升核武器建模的能力,以及消除地下测试的需要。

10.绝密

这是一台美国政府所有的超级计算机,但和上面这些超级计算机不同的是,它并没有常规的代号,所处位置也并未向公众披露。目前已知的信息是,它基于克雷的CS-Storm系统,每秒浮点运算速度为3.57千万亿次。与此同时,它还是目前能效最高的超级计算机。