“當(dāng)今，科學(xué)研究可分為三種：實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算。”

　　——諾貝爾獎(jiǎng)得主，威爾遜

　　如果說(shuō)，在科學(xué)的發(fā)展長(zhǎng)河中，伽利略和牛頓奠定了實(shí)驗(yàn)科學(xué)和理論科學(xué)的基石。那么，計(jì)算機(jī)的發(fā)明，則把計(jì)算推上了人類科學(xué)活動(dòng)的另一個(gè)前沿，此后，計(jì)算在科學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

　　例如，被稱為“ 上帝粒子”的希格斯（Higgs）玻色子是2012年度最大的科學(xué)突破。它的發(fā)現(xiàn)和捕捉之路離不開歐洲核子研究中心(CERN)，而對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則離不開背后的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，大量的數(shù)據(jù)處理則需要依靠高性能計(jì)算(HPC)。

　　不僅如此，近年來(lái)，計(jì)算在生命科學(xué)、天文物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等各種科學(xué)中，所發(fā)揮的作用日益增大。并且，在氣象、核技術(shù)、石油勘探、航空航天、裝備制造研發(fā)、運(yùn)輸交通等國(guó)民與國(guó)防建設(shè)的很多重要領(lǐng)域中，計(jì)算成了必不可少的手段。

　　“互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用有兩大驅(qū)動(dòng)力，一個(gè)是商業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)，另一個(gè)就是科研領(lǐng)域，1994年中國(guó)接入互聯(lián)網(wǎng)之后，接入的第一個(gè)科研應(yīng)用就是高能物理?！碧m州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全與信息化辦公室主任陳文波主任在接受采訪時(shí)說(shuō)。

蘭州大學(xué)的HPC之“難”

　　蘭州大學(xué)是教育部直屬的全國(guó)重點(diǎn)綜合性大學(xué)，是國(guó)家“985工程”和“211工程”重點(diǎn)建設(shè)高校之一，于2017年入選教育部世界一流大學(xué)建設(shè)名單，并且有4個(gè)學(xué)科入選世界一流學(xué)科建設(shè)名單。

　　據(jù)了解，高性能計(jì)算作為蘭州大學(xué)的科研工具扮演了極其重要的角色，“我們平臺(tái)的超算能力是1200萬(wàn)億，在西部高校的HPC規(guī)模應(yīng)該是最大的?！?蘭州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全與信息化辦公室主任、超算中心主任陳文波主任說(shuō)。

　　學(xué)校先后在物理、化學(xué)、大氣學(xué)院等學(xué)院建設(shè)了高性能計(jì)算中心，給各學(xué)院的教師和學(xué)生提供了科研支撐。“在上世紀(jì)80年代，全國(guó)開始建立計(jì)算中心，蘭大就是其中之一，當(dāng)時(shí)用的是日本富士通的機(jī)器，之后，又從中小型機(jī)過(guò)渡到X86服務(wù)器，2004、2015年開始采用計(jì)算集群，到了2010年后，各學(xué)院開始了自建…….”陳主任回顧了蘭州大學(xué)的HPC應(yīng)用之路。

　　目前，雖然各學(xué)院分散建設(shè)高性能計(jì)算中心的模式在一定程度上滿足了現(xiàn)有的科研需求，但也存在著諸多問(wèn)題，難以滿足學(xué)校長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。主要表現(xiàn)在：

　　1、資源浪費(fèi)：各學(xué)院獨(dú)立建設(shè)高性能計(jì)算集群，物理設(shè)備或部門之間的隔離導(dǎo)致資源無(wú)法共享，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)；

　　2、運(yùn)維管理復(fù)雜：各學(xué)院老師需要承擔(dān)各院高性能計(jì)算集群設(shè)備的運(yùn)維管理工作，無(wú)法更好地聚焦科學(xué)研究；

　　3、采購(gòu)成本高：由于高性能計(jì)算集群建設(shè)沒(méi)有做到全校一盤棋統(tǒng)籌，導(dǎo)致高性能計(jì)算相關(guān)的設(shè)備采購(gòu)成本及運(yùn)營(yíng)成本居高不下；

　　4、用戶體驗(yàn)差：由于大多數(shù)有科學(xué)計(jì)算需求的師生都是非計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，存在對(duì)超算系統(tǒng)概念不了解、環(huán)境不熟悉、使用門檻高的問(wèn)題。對(duì)于一名通常只有2～3年研究時(shí)間的學(xué)生來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)配置和調(diào)試等工作占用了大量的研究時(shí)間；

　　5、不利于交叉學(xué)科發(fā)展：學(xué)科交叉點(diǎn)是科學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)、新的科學(xué)前沿，而校級(jí)平臺(tái)是學(xué)科交叉的溫床，但各院獨(dú)立建設(shè)的現(xiàn)狀無(wú)法滿足高性能計(jì)算中交叉學(xué)科的發(fā)展需求；

　　面對(duì)以上的種種問(wèn)題，蘭州大學(xué)亟需統(tǒng)籌規(guī)劃全校的高性能計(jì)算中心建設(shè)，構(gòu)建全校統(tǒng)一的高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái)。但是統(tǒng)一建設(shè)仍面臨著很多新的挑戰(zhàn)，例如，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的靈活調(diào)度？如何實(shí)現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)隔離？如何實(shí)現(xiàn)作業(yè)的合理調(diào)度？

遇見容器HPC

　　據(jù)蘭州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全與信息化辦公室超算中心高級(jí)工程師 張洋老師回憶，早在五六年前，在蘭州大學(xué)跟美國(guó)圣地亞哥超算中心合作項(xiàng)目的時(shí)候，開始對(duì)容器HPC有初步的了解并持續(xù)關(guān)注。所以在規(guī)劃建立統(tǒng)一的高性能計(jì)算平臺(tái)的時(shí)候，優(yōu)先考慮使用容器HPC。據(jù)悉，針對(duì)蘭州大學(xué)在統(tǒng)一高性能計(jì)算平臺(tái)的建設(shè)過(guò)程中面臨的問(wèn)題，華為利用自身大量的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)和生態(tài)伙伴的整合能力，攜手聯(lián)科提供的基于容器的HPC解決方案在眾多競(jìng)標(biāo)者中脫穎而出。

　　據(jù)了解，此方案運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)、前端展示以及移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)，打破了傳統(tǒng)校園計(jì)算中心的建設(shè)模式，通過(guò)容器的隔離和鏡像打包功能，將平臺(tái)管理員從復(fù)雜的管理工作中解放出來(lái)，建立基于容器技術(shù)的高效公共計(jì)算云平臺(tái)的管理模式和應(yīng)用服務(wù)體系，讓用戶像使用手機(jī)一樣，方便的使用高性能計(jì)算，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地的提交任務(wù)，查看結(jié)果。最終，通過(guò)容器解決方案，做到計(jì)算環(huán)境快速部署和切換。

　　“早期做方案調(diào)研的時(shí)候，我們找了五個(gè)學(xué)院的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，觀察其性能的損耗，因?yàn)閷?duì)HPC應(yīng)用來(lái)說(shuō)，性能是優(yōu)先需要考慮的，結(jié)果是，經(jīng)過(guò)測(cè)試后，容器確實(shí)性能損耗和物理機(jī)相比基本上沒(méi)有多大的區(qū)別，并且，多節(jié)點(diǎn)的MPI應(yīng)用也都能跑起來(lái)?！睆埨蠋熣f(shuō)。

　　具體來(lái)說(shuō)，容器HPC解決方案統(tǒng)一部署之后，給蘭州大學(xué)帶來(lái)了顯而易見的價(jià)值：

　　首先，簡(jiǎn)管理。建立統(tǒng)一的計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)用戶管理子系統(tǒng)，對(duì)平臺(tái)使用者的身份進(jìn)行認(rèn)證、審批、權(quán)限控制、配額信息管理、用戶組及用戶成員關(guān)系等管理，幫助學(xué)校實(shí)現(xiàn)計(jì)算平臺(tái)的在各學(xué)院的租戶化管理、運(yùn)營(yíng)；

　　其次，降成本。通過(guò)容器隔離子系統(tǒng)，在同一個(gè)計(jì)算平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行不同版本的操作系統(tǒng)，擁有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)配置（包括高速以太網(wǎng)以及高速IB計(jì)算網(wǎng)），并可訪問(wèn)不同的存儲(chǔ)空間及數(shù)據(jù)集。保證虛擬化的資源性能與物理性能損失小于1%，滿足科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)中心高性能計(jì)算的需求；

　　再次，均資源。通過(guò)任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從多種計(jì)算資源中選擇最合適的節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)容器。并通過(guò)資源監(jiān)控模塊、作業(yè)執(zhí)行監(jiān)控模塊以及作業(yè)調(diào)度算法模塊實(shí)現(xiàn)最合理的作業(yè)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)院的用戶在平臺(tái)上能夠均衡地獲取到資源。

寫在最后

　　教育科研水平直接代表著國(guó)家的科技實(shí)力與能力。在過(guò)去，我國(guó)在高性能計(jì)算的應(yīng)用方面，一直和歐美存在著差距，“如今，我國(guó)超算的發(fā)展是爆炸式的，我們已經(jīng)慢慢從學(xué)習(xí)的階段走向了應(yīng)用階段。”陳主任在采訪結(jié)束時(shí)表示。

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高校HPC應(yīng)用迎來(lái)了一個(gè)黃金時(shí)代，而容器HPC將引領(lǐng)高校的超算發(fā)展，助力高?？蒲械姆睒s之路。