英特尔中国科学计算实战手册

英特尔中国科学计算实战手册

概述:

  • 英特尔中国科学计算实战手册旨在聚焦科学计算在模拟与仿真、分子动力学、生命科学等应用领域以及基础性能测试方面的实践需求,详细解析基于英特尔® 至强® 平台软硬件产品组合的优化策略、具体方法及示例,为用户提供可用、易用、好用的实用参考与指导。

今天,在科学研究和技术实践各领域,以计算机和智能为代表的信息技术已成为加速创新的关键力量,作为现代科技三大支柱之一的科学计算,更是在其中发挥着无可替代的作用。尤其是一些领域,随着科学研究的深入,需要处理的数据量越来越大,算法也日益复杂,需要计算机系统大幅提高性能、加快处理速度来予以支撑。例如,在流体力学领域,一些仿真模拟场景中所需处理的网格动辄数以亿计;在气象预测领域,气象机构每年从卫星、飞机或观测站等获取的气象数据多达PB级别。在其它如天文、生命科学等领域同样如此,大规模方程计算和海量数据处理,虽然为探索未知开辟着新路径,但其计算过程就犹如黑洞一般会大幅榨取计算资源,让运算变得异常困难,也带来了巨大的成本。

在技术的落地实践、工程实现阶段,这一现象就更为突出。例如在制造行业,在设计研发阶段开展高精度的仿真模拟,不仅能大幅降低物理原型/实验的数量和成本,还能提高设计质量和效率,缩短新品研发上市时间,进而提升竞争力。但实施大规模仿真任务,往往需要数天乃至以周计才能完成,中间还可能还会因基础设施性能不足(例如内存带宽性能不足等)而中断,无法获得预期的效果。

为应对上述挑战,拥有更强性能的科学计算平台正应运而生且不断迭代进化,除了拥有比普通计算机系统更强的计算、存储和 IO 等基础能力,以及操作系统、驱动程序、文件系统、编译器和应用软件支持外,它还需要依托并行性(同时处理多项任务)和分布式(在多个节点处理任务)特性来实现更大规模的算力部署,以及计算的高效率和运行中的高稳定性。2023 年 6 月 25 日,英特尔宣布,Aurora 超级计算机在阿贡国家实验室完成部署,这成为全球首台峰值性能超过 2 Exaflops(1 Exaflops = 100 亿亿次浮点指令/秒)算力的超级计算机1

图1-1-1  Aurora 超级计算机

图1-1-1  Aurora 超级计算机

基于更强劲的性能和过一步优化的计算架构,科学计算平台,尤其是其中的佼佼者们正在千行百业中承担起越来越重要的角色。从传统的天文、物理、生物、气象等研究,到金融服务、生产制造、石油勘探等生产实践,再到新型产业如新材料研究、新药物研究、基因测序等工程探索,科学计算平台都正帮助人们加速科学发现、优化业务流程,进而创造更美好的生活。
 

  • 制造领域:由科学计算平台提供支持的计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)正广泛用于产品设计与制造过程,例如在航空航天、船舶制造中,借助计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)软件,能更好地模拟碰撞、噪声、振动、硬度和应力等,可加速结构分析,进而在降低研发制造成本的同时,为用户提供更优质的产品。
  • 生命科学:科学计算平台也被用于基因组分析、冷冻电镜数据分析等生命科学领域,助力健康医疗、制药产业的技术创新和应用。例如在制药行业,研究者可以借助科学计算平台与分子动力学模拟软件,来设计药物和模拟测试药物的有效性,而这不仅可缩短新药研发过程,也能够提高新药的安全性。
  • 气象预测:科学计算平台能通过对浩如烟海的气象数据展开处理和分析,来提升气象预测的精准度,进而帮助人们更有效应对灾害天气,如高温炎热、飓风等,也能对农业、风力发电等高度依赖气象预测领域的生产经营提供支持。

除此之外,科学计算平台同样也在太空探索、金融风险防范以及石油勘探等众多领域发挥巨大作用,此处不再一一赘述。而随着科学计算在千行百业重大创新的加速作用不断展现,其市场规模也得以高速扩展。有研究表明,2022 年全球科学计算市场规模已达 360 亿美元,预计到 2027 年这个数据将达 499 亿美元,CAGR(Compound Annual Growth Rate,年复合增长率)达 6.7%2

随着科学计算应用范围的不断扩大,多样化的应用实践场景也对其平台性能提出了更高要求,需其通过架构创新、软件优化来应对更大规模计算带来的效率、成本等挑战。尤其随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)、大数据(Big Data)以及云计算(Cloud Compute)等前沿 IT 技术不断被引入科学计算应用场景,使得在强化硬件基础设施之上,通过各类优化软件和加速库,来提升科学计算平台的效能,也成为了各行各行业使用者所关注的焦点。

一直以来矢志于在科学计算领域发挥“核芯”作用的英特尔,除了提供英特尔® 至强® 可扩展处理器系列、英特尔® 至强® CPU Max 系列等先进算力平台产品外,也在持续通过英特尔® oneAPI、英特尔® AVX-512 等软件和技术,为科学计算平台的优化和性能增强提供更多助力。在下一篇 “应用优化实战篇” 中,我们将就面向基于英特尔® 架构的 CAE 仿真分析、分子动力学以及生命科学相关软件的优化编译和运行,进行细节剖析和示例参考。

本手册全文目录如下,如欲了解更多详情,可点击下方链接获取完整文件。