關(guān)于HPC的高性能計(jì)算測試方法

本文選自“服務(wù)器應(yīng)用場景性能測試方法（高性能計(jì)算）”，本文的測試對象為用于高性能計(jì)算場景的服務(wù)器。本文中使用的高性能計(jì)算場景包括通用場景及各行業(yè)（制造行業(yè)、基因行業(yè)及氣象行業(yè)）場景等。

測試平臺由計(jì)算節(jié)點(diǎn)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組件、存儲組件、管理與散熱組件組成。用戶通過 STAR-panel 進(jìn)行測試運(yùn)行。計(jì)算節(jié)點(diǎn)和部分高速互聯(lián)組件，向 STAR-microbench 和 STAR-proxy 反饋性能信息。計(jì)算節(jié)點(diǎn)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組件、存儲組件和散熱與管理組件，向 STAR-panel 反饋功耗信息。

用例參數(shù)的取值應(yīng)使得服務(wù)器正常運(yùn)行的情況下CPU達(dá)到滿載，每個(gè)用例測試3次，結(jié)果取平均值。運(yùn)行某一應(yīng)用所需要的時(shí)間，單位為秒(s)，應(yīng)用運(yùn)行過程中，服務(wù)器的平均功率，單位為瓦(w)。

1、通用測試用例

在行業(yè)應(yīng)用以外，HPC 領(lǐng)域有一些非常專業(yè)、有影響力、有代表性的應(yīng)用可以體現(xiàn)高性能計(jì)算各 項(xiàng)性能，本文件選取其作為高性能計(jì)算領(lǐng)域的通用測試用例。

高性能共軛梯度（HPCG）基準(zhǔn)項(xiàng)目是一項(xiàng)旨在創(chuàng)建用于對 HPC 系統(tǒng)進(jìn)行排名的新指標(biāo)的工作。HPCG旨在作為高性能 LINPACK（HPL）基準(zhǔn)的補(bǔ)充，該基準(zhǔn)目前用于對 TOP500 計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行排名。HPL的計(jì)算和數(shù)據(jù)訪問模式仍然代表著一些重要的可伸縮應(yīng)用程序，但不是全部。HPCG 旨在行使與不 同而廣泛的重要應(yīng)用程序更加緊密匹配的計(jì)算和數(shù)據(jù)訪問模式，并激勵(lì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員投資于將影 響這些應(yīng)用程序總體性能的功能。

本測試使用HPCG官網(wǎng)提供的開源版本：OpenHPCG 進(jìn)行測試。

2、制造行業(yè) 制造行業(yè)測試用例、工具及指標(biāo)按照表的要求。

a) OpenFOAM 用例

OpenFOAM 的前身為 FOAM（Field Operation and Manipulation 的簡寫），后來作為開源代 碼公布到網(wǎng)上，任何人都可以自由下載和傳播它的源代碼。目前 OpenFOAM 有兩個(gè)版本：

1) 官方版本：www.openfoam.org 該版本以 Herny weller 為首的 OpenCFD 公司維護(hù)。該版本主要基于有限容積方法，功能 比較強(qiáng)大，目前商業(yè) cfd 軟件 cfx、fluent 能夠支持的功能 openfoam 基本都能夠支持。

2) dev 版本：以 Hrvoje Jasak 為首的在 openfoam 官方版本進(jìn)行擴(kuò)充，除了官方版本的有限容積 方法，dev 版本支持有限元、有限面積等。OpenFOAM 是一個(gè)完全由 C++編寫的面向?qū)ο笥?jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件包，采用類似 于我們?nèi)粘Ａ?xí)慣的方法在軟件中描述偏微分方程的有限體積離散化，支持多面體網(wǎng)格（比如 CD-adapco 公司推出的 CCM+生成的多面體網(wǎng)格），因而可以處理復(fù)雜的幾何外形，其自帶的 snappyHexMesh 可以快速高效的劃分六面體+多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量高。支持大 型并行計(jì)算，目前針對 OpenFOAM 庫的 GPU 運(yùn)算優(yōu)化也正在進(jìn)行中。

b) Mini App 用例 1—AMG-2013

AMG-2013 是一個(gè)線性系統(tǒng)的并行代數(shù)多重網(wǎng)格求解器，用于求解非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在稀疏矩 陣計(jì)算，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）中，AMG 方法占據(jù)著重要地位，是 CFD 領(lǐng)域的核心求解器之 一。AMG-2013 由美國勞倫斯-利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用計(jì)算中心研發(fā)并在 GPL-2.1 許可證下開源。本用例將使用 AMG-2013 求解一個(gè)大型拉普拉斯方程，利用的計(jì)算方法為并行共軛梯度下降方法。每節(jié)點(diǎn)求解格點(diǎn)數(shù)為 100663296 個(gè)。

c) Mini App 用例 2—MiniFE

miniFE 全稱有限元方法求解器，用于模擬流體力學(xué)中常見的隱式非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解過程。此 處選用該應(yīng)用是為了考察 HPC 服務(wù)器在這類經(jīng)典計(jì)算場景中的綜合性能。

3、基因行業(yè)

基因行業(yè)測試用例、工具及指標(biāo)按照表的要求。

a) GATK 用例

生命科學(xué)研究是 ARM HPC 所探索的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。生物信息學(xué)是生命科學(xué)研究中以計(jì)算機(jī) 為工具對生物信息進(jìn)行存儲、檢索和分析的科學(xué)，其研究重點(diǎn)體現(xiàn)在基因組學(xué)（Genomics） 和蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics），分析序列中表達(dá)結(jié)構(gòu)功能的生物信息。生物信息測序技術(shù)包括一代、二代、三代測序技術(shù)，當(dāng)前領(lǐng)域主要應(yīng)用為二代和三代測序技術(shù)。兩代測序技術(shù)分別對應(yīng)不同生信軟件的移植及使用，二代測序核心軟件為GATK 工具集， 三代測序?yàn)?CANU。

GATK, Genome analysis Toolkit. 使用最廣泛的二代測序分析軟件，重視數(shù)據(jù)質(zhì)量、基因分 析、變異查找，是 SNPs 和 Indels 檢測的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件。GATK 最初設(shè)計(jì)為人類基因和外顯子 分析，后來擴(kuò)展為能對其它任何生物體、有機(jī)體進(jìn)行分析。GATK 提供了一種人工編碼算法， 將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用到測序機(jī)器最容易出錯(cuò)的地方。

b) CAUN 用例

Canu 是第三代基因測序工具的一種，專門用于集成 PacBio 或 Oxford Nanopore 基因序列。Canu 處理流程分為3個(gè)步驟：correction、trimming、assembly，每一步又由許多小步驟組成。一般情況下。3個(gè)步驟都會(huì)執(zhí)行，但是可以用-correct,-trim or –assemble 指定運(yùn)行哪一步（如果 你想對 reads 做一次 correct 操作，嘗試別的不同的方法做 assemble）。大多數(shù)算法都可以實(shí)現(xiàn) 多線程（在一個(gè)node 上使用多個(gè)core），并行化（使用 grid 中的多個(gè) node），或者兩者都有。具體選用 CANU 開源算例 PacBio 來進(jìn)行評測。

c) Mini App1 用例—wtdbg2

Wtdbg2 是一個(gè)三代測序數(shù)據(jù)（同時(shí)適用于 pacbio 和 nanopore）denovo 組裝軟件，它是一款基 于 C 語言開發(fā)的開源軟件。Wtdbg2 是從頭序列裝配器，用于由 PacBio 或 Oxford Nanopore Technologies（ONT）產(chǎn)生的長噪聲讀取。它組裝原始讀取而不進(jìn)行糾錯(cuò)，然后從中間組裝輸 出建立共識。Wtdbg2 能夠以比 CANU 和 FALCON 快幾十倍的速度組裝人類甚至 32Gb Axolotl 基因組，同時(shí)產(chǎn)生可比的堿基精度的重疊群。

d) Mini App2 用例—NGS Analyzer-MINI

NGS Analyzer-MINI 基于基因分析軟件 NGS Analyzer，由日本理研所基因藥學(xué)研究中心開發(fā)。NGS Analyzer 快速地分析由下一代基因測序軟件輸出的數(shù)據(jù)并能夠更準(zhǔn)確的識別人與人之間 的基因差異或者腫瘤細(xì)胞的突變。

4、氣象行業(yè)

氣象行業(yè)測試用例、工具及指標(biāo)按照表的要求。

a) WRF 用例及算例

WRF（Weather Research and Forecasting Model），是一個(gè)天氣研究與預(yù)報(bào)模型，可以用來進(jìn) 行精細(xì)尺度的天氣模擬與預(yù)報(bào)，由美國環(huán)境預(yù)測中心（NCEP），美國國家大氣研究中心（NCAR） 等美國的科研機(jī)構(gòu)為中心開發(fā)一種統(tǒng)一的氣象模式，分為 ARW(the Advanced Research WRF) 和 NMM(the Nonhydrostatic Mesoscale Model)兩種，即研究用和業(yè)務(wù)用兩種形式，分別由 NCEP 和 NCAR 管理維持著，適用于從數(shù)十米到數(shù)千公里的各種氣象應(yīng)用，是HPC 應(yīng)用的重要場景之一。具體算例選擇使用 Conus 2.5 km 開源算例來進(jìn)行應(yīng)用的評測。

b) Mini App1 用例—NICAM-DC-MINI

Nicam-dc-mini 是NICAM-DC 應(yīng)用的一個(gè)子集，它包含了運(yùn)行一個(gè)斜壓波浪測試的最小計(jì)算 流程。斜壓波浪測試是一個(gè)著名的重現(xiàn)不穩(wěn)定斜壓震蕩的大氣循環(huán)模型。Nicam-dc-mini 保留 了其計(jì)算負(fù)載的特征，同時(shí)加入了完整的性能評測方法。

c) Mini App2 用例—COSMO

COSMO 是一個(gè) 1998 年開發(fā)的非流體靜力學(xué)的在限定區(qū)域內(nèi)的大氣預(yù)測模型。COSMO 基于 原始的熱流體動(dòng)力學(xué)方程，描述了濕潤大氣中的可壓縮流，常被用于數(shù)值氣象預(yù)報(bào)以及其他基于該模型的科學(xué)計(jì)算。

本文選自“服務(wù)器應(yīng)用場景性能測試方法（高性能計(jì)算）”，綠色計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，簡稱“GCC”。自成立以來 GCC 以協(xié)同構(gòu)建綠色、開放、自主、共享生態(tài)體系為目標(biāo)，致力于推動(dòng)綠色計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展，GCC 已經(jīng)成為擁有包括天津飛騰、海 思、Marvell、Ampere 等全球最完整的 Arm 基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器芯片伙伴的全球聯(lián)盟。截至目前，GCC 已 有單位會(huì)員近百家，包括芯片、設(shè)備和軟件廠商，用戶以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、高等院校等。

編輯：黃飛