校級(jí)高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)困局論文
0引言
高性能計(jì)算是利用先進(jìn)的計(jì)算能力去理解和解決復(fù)雜問題，特別是理論、實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，它可以真實(shí)、全過程、全時(shí)空、反復(fù)精密地進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，計(jì)算速度的不斷提高，高性能計(jì)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?yàn)的方法，還需要借助于高性能計(jì)算的手段。高性能計(jì)算已成為繼理論分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)行業(yè)。作為新一代信息技術(shù)，高性能計(jì)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(dòng)作用，是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。高性能計(jì)算也因此成為《2004-2010年國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)綱要》中的平臺(tái)建設(shè)重點(diǎn)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(jì)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(shí)到高性能計(jì)算模擬對(duì)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(duì)高性能計(jì)算的關(guān)注日益提高，紛紛斥巨資建立校級(jí)高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)，強(qiáng)大的計(jì)算能力極大地提升了學(xué)校科研工作的能力和水平，促進(jìn)了相關(guān)教學(xué)、科研工作的開展，高性能計(jì)算已成為高校教學(xué)、科研創(chuàng)新的一個(gè)基本手段。然而，也有相當(dāng)一部分高校的校級(jí)計(jì)算平臺(tái)使用效率不高，造成了資源的浪費(fèi)。因此，認(rèn)真研究校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)在運(yùn)行、管理中存在的問題，分析問題產(chǎn)生的原因，提出應(yīng)對(duì)的合理化建議，從而提高平臺(tái)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(jí)高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)、管理和運(yùn)行中的主要問題
高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)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(jìng)爭(zhēng)能力。然而，盡管經(jīng)過漫長(zhǎng)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(jì)算平臺(tái)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(zhǎng)，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(chǔ)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(yùn)行到正式提供服務(wù)的平均周期需要兩年，而相同成本計(jì)算能力的倍增時(shí)間約為18個(gè)月，剛剛投入使用的機(jī)器實(shí)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(gè)月。
1.2一個(gè)平臺(tái)，一個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)用難免受到限制
校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)往往只是一個(gè)單獨(dú)的硬件平臺(tái)，只提供唯一的運(yùn)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(jì)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(jì)算的能量。平臺(tái)只負(fù)責(zé)硬件的建設(shè)與維護(hù)，軟件、應(yīng)用由實(shí)際使用的老師提供。軟件已有的功能模塊簡(jiǎn)化了計(jì)算的操作，但也限制了科研的創(chuàng)新。只有積極地實(shí)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(yùn)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(tái)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(yùn)行團(tuán)隊(duì)
硬件的運(yùn)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(jì)算模型、方法的優(yōu)化等，都需要一個(gè)專業(yè)的團(tuán)隊(duì)。目前，很多作為用戶的教師不了解高性能計(jì)算相關(guān)的技術(shù)操作，而負(fù)責(zé)運(yùn)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(jì)算的應(yīng)用。
1.6運(yùn)行成本高，收費(fèi)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(tái)能夠獨(dú)立發(fā)展，自負(fù)盈虧。平臺(tái)只能通過收取機(jī)時(shí)費(fèi)支付運(yùn)行、維護(hù)所需的各項(xiàng)費(fèi)用，包括場(chǎng)地、水電、人員薪酬等，每年這些日常的運(yùn)行維護(hù)成本幾乎占到了設(shè)備購置價(jià)格的1/4-1/5，根據(jù)成本核算制定的收費(fèi)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(huì)引發(fā)資金缺口，影響平臺(tái)的正常服務(wù)。
1.7缺乏合理有效的運(yùn)行機(jī)制和管理模式
用戶權(quán)限和優(yōu)先級(jí)不同，計(jì)算所需的等待時(shí)間也不同，缺乏統(tǒng)一的針對(duì)用戶和計(jì)算任務(wù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。
2建設(shè)思路與目標(biāo)
高性能計(jì)算平臺(tái)作為校級(jí)公共服務(wù)平臺(tái)，目的是為全校相關(guān)學(xué)科提供科學(xué)計(jì)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(zhǎng)期的實(shí)踐，有很多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)，通過學(xué)習(xí)和借鑒這些寶貴經(jīng)驗(yàn)，高校在新建高性能計(jì)算平臺(tái)的過程中，可以避免很多誤區(qū)。
2.1合理設(shè)計(jì)，統(tǒng)一規(guī)劃，重視安裝環(huán)境
校級(jí)平臺(tái)應(yīng)保證持續(xù)的計(jì)算能力，合理的建設(shè)方案需要考慮到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)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(jì)算平臺(tái)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(gè)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(jì)算能力不間斷地穩(wěn)定增長(zhǎng)
通過長(zhǎng)期投入，分階段地建設(shè)具有不同運(yùn)行環(huán)境的多個(gè)主計(jì)算平臺(tái)，保證計(jì)算能力持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)。如圖1所示，第一年建設(shè)1個(gè)完整的主計(jì)算平臺(tái)，隨后每?jī)赡杲ǔ?個(gè)主計(jì)算平臺(tái)，五年可以建成3個(gè)主計(jì)算平臺(tái)。第六年開始，每?jī)赡晖艘?個(gè)主計(jì)算平臺(tái)，同時(shí)建成1個(gè)主計(jì)算平臺(tái)。因此，五年之后，平臺(tái)將持續(xù)擁有計(jì)算能力大致相當(dāng)?shù)?個(gè)主計(jì)算平臺(tái)。平臺(tái)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(huì)引起用戶難以察覺的短暫服務(wù)中斷。在整個(gè)服務(wù)周期中，用戶只會(huì)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(huì)影響其科研進(jìn)度的安排。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求，不同平臺(tái)可以配置不同系統(tǒng)(體系架構(gòu))，通過多平臺(tái)、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(yùn)行團(tuán)隊(duì)，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(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍是設(shè)備使用和維護(hù)的核心力量，是平臺(tái)日常運(yùn)行的樞紐和保障。通過職稱評(píng)審、崗位設(shè)置、薪酬待遇等方面對(duì)平臺(tái)給予傾斜，吸引高性能計(jì)算領(lǐng)域高素質(zhì)專業(yè)人才組建管理和運(yùn)行團(tuán)隊(duì)。通過定期培訓(xùn)和激勵(lì)機(jī)制，提高團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持與服務(wù)能力，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在平臺(tái)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(shí)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(yùn)行中的各種問題，甚至能夠針對(duì)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(duì)科研的限制。
2.4優(yōu)化機(jī)時(shí)分配機(jī)制，提高運(yùn)行效益
用戶預(yù)交機(jī)時(shí)費(fèi)，建立機(jī)時(shí)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(jì)算用戶，用完為止，不累積。向平臺(tái)投入資金的老師分配與其投資額度對(duì)等計(jì)算設(shè)備5年滿負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)時(shí)。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(jì)算平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施后，引導(dǎo)擬自購計(jì)算設(shè)備的老師將資金投入校級(jí)平臺(tái)，由平臺(tái)統(tǒng)一規(guī)劃采購，以機(jī)時(shí)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(fèi)，又能保證校級(jí)平臺(tái)長(zhǎng)久、有效地運(yùn)行。
舉個(gè)例子，課題組5年有200萬元經(jīng)費(fèi)用于購置高性能計(jì)算設(shè)備，經(jīng)費(fèi)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(fèi)一次性投入200萬元購置服務(wù)器，除掉管理節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)、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(jì)算能力，經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、論證、招標(biāo)采購，半年后開始運(yùn)行服務(wù)。服務(wù)器的使用周期一般為5年，5年總計(jì)4000核年的計(jì)算能力，考慮到運(yùn)行中各種問題導(dǎo)致的服務(wù)中斷，實(shí)際使用的計(jì)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(fèi)20萬元)，還要附加1間機(jī)房和1個(gè)科研人員，而收益僅為800-3200核年的計(jì)算能力。若采用校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)，只需投入200萬元，可收益4000核年以上的計(jì)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(yùn)行管理模式
學(xué)術(shù)委員會(huì)監(jiān)督下的主任負(fù)責(zé)制是能夠保證平臺(tái)公平、有序、高效運(yùn)行的，行之有效的管理模式。成立專門的學(xué)術(shù)委員會(huì)，監(jiān)督平臺(tái)的各項(xiàng)工作，并對(duì)平臺(tái)建設(shè)與發(fā)展中的重大事項(xiàng)進(jìn)行決策。設(shè)主任1名，負(fù)責(zé)在學(xué)術(shù)委員會(huì)指導(dǎo)下把握平臺(tái)的發(fā)展方向，保證其對(duì)相關(guān)學(xué)科的支撐作用，聘請(qǐng)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(tái)計(jì)算系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)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(jí)計(jì)算中心的合作
由于高校高性能計(jì)算需求的多樣性，校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)可能無法滿足所有用戶要求，因此，鼓勵(lì)學(xué)校老師轉(zhuǎn)移部分計(jì)算需求，充分利用國家級(jí)計(jì)算中心的計(jì)算能力。根據(jù)用戶的需求分類，由校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)牽頭與國家級(jí)計(jì)算中心合作，建立學(xué)校用戶組，提供針對(duì)國家級(jí)計(jì)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(shí)驗(yàn)之外的第三種科研手段，高性能計(jì)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(jì)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(yàn)，整合需求，集中資源建設(shè)校級(jí)高性能計(jì)算平臺(tái)，提供隨需應(yīng)變的高性能計(jì)算資源、技術(shù)支持及專業(yè)的技術(shù)咨詢服務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中不斷總結(jié)，探索適合我國實(shí)際情況的高性能建設(shè)與運(yùn)行模式，是促進(jìn)、提高高校科研能力的重要保障。
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