高性能計算研究所

以高性能、高并發、大數據處理為特點的新型計算機體系結構已成為現代社會信息處理基礎設施的關鍵基石,高性能計算技術研究所的學科方向即為計算機系統結構,包括高性能計算、大數據處理、網絡存儲系統、處理器體系結構等。現有教師20人,在相關領域的世界重要學術會議(包括 MICRO,FAST,SC,PPoPP,PLDI, HPDC, EUROSYS, LISA,IPDPS等)及期刊上有大量成果發表,并已獲國家科技進步獎一等獎一次、二等獎二次,部級一等獎二次、二等獎三次等多項獎勵。

 

主要研究方向

1)面向科學計算以及工程需要的計算機系統

  • 高性能計算軟件與工具研發

  • 處理器微體系結構研究

  • 網格計算技術

  • 計算機系統評測技術

2)以數據為中心的計算系統

  • 存儲系統

  • 云計算系統

  • 移動計算系統

 

代表性研究成果

 

面向地球系統模式的高性能計算系統

地球系統模式是理解過去氣候與環境演變機理、預估未來潛在全球變化情景的重要工具。針對地球系統模式的關鍵模塊——大氣模式與天氣預報系統,分別研制了面向大規模異構系統的可擴展并行算法以及定制處理器。大氣模式核心計算模塊的可擴展并行算法在天河-2超級計算機上的測試顯示,該算法可有效擴展到6000節點以上;最大測試案例在1.7百萬個核上獲得77%的并行效率;峰值性能達到1.74PFlops,為大氣模擬相關應用有效使用當前主流的超大規模異構計算系統提供了示范。同時研究開發了針對天氣預報系統定制的定制處理器設計及其FPGA原型,性能是同工藝通用多核處理器的2.3倍,而功耗僅為其12%,大幅提升了該關鍵領域應用的計算效能。

相關工作已發表于并行計算領域國際重要會議和期刊(ACM SIGPLAN Symposium on Principles and Practice of Parallel Programming (PPoPP 2013)、IEEE International Parallel & Distributed Processing (IPDPS 2014)和IEEE Transactions on Computers)。

海量信息存儲系統及其應用

存儲始終是計算機系統的性能瓶頸所在。隨著大數據的產生及云存儲服務的發展,存儲已成為關系到國計民生和國家戰略安全的關鍵信息基礎設施之一。在信息存儲系統及其關鍵技術方面開展了大量研究工作,研制出了可擴展高性能海量存儲網絡系統TH-MSNS及其大規模存儲虛擬化軟件(分布式虛擬化軟件TH-DVSM、帶內虛擬化軟件TH-AXUM、帶外虛擬化軟件TH-VSM)、存儲并行文件系統Redbud、云存儲安全系統Corslet、分級存儲系統AIP、閃存文件系統OFSS、面向NVM的分布式存儲系統等,在公安、審計、通訊、油田、高校等部門或行業推廣應用了百余套,并在包括FAST、MICRO、DSN、IPDPS、MSST、SRDS、ICCD等存儲領域重要國際會議和IEEE/ACM Trans.權威國家期刊上發表近百篇學術論文,獲國家科技進步二等獎等。

 

云計算與存儲系統

云計算環境主要包括云存儲系統Morph、虛擬計算系統Nova、軟件按需使用系統Desktop2Go等。云存儲系統Morph采用面向共享的可自調整適配的云存儲系統架構,提出了基于策略定制的主機-集群-數據中心三個層級的擴展方法、與社區共享管控相匹配的多根多版本文件管理方式以及數據的掛載使用機制等,方便了大型企事業單位自建自管云存儲系統以及用戶本地化即時使用TB、乃至PB級數據的需求。

清華云存儲系統架構圖

虛擬計算系統Nova旨在突破硬件和軟件物理環境的約束,為用戶按需提供隔離的、完全可控的虛擬計算環境來滿足他們的個性化計算要求。它實現了從“程序適應環境”到“環境適應程序”的轉變,體現了云計算以用戶為中心的服務理念。

 

清華大學虛擬計算環境Nova系統

Desktop2Go在國際上較早提出運行環境與存儲位置相分離的分布式軟件架構與云端融合使用模式,基于應用層虛擬化技術,將現有軟件轉化為網絡服務,從而能夠有效實現云計算模式與現有桌面軟件的兼容,虛擬化引入的性能損失不到1%。

清華大學云計算環境相關技術和系統已經在項目成果已在廣東聯通、華為、中興、中石油等20多家企事業單位和中科院、北京大學等50所大陸科研院所以及臺灣新竹清華大學得到應用,并被作為特色平臺(featured platform)被美國的CloudBook(www.cloudbook.net)網站收錄,這是來自中國的唯一系統。

數據密集型計算與處理系統

大數據已經成為科學發現、經濟和社會發展的重要工具。與傳統計算密集型的科學與工程計算不同,大數據應用多為數據密集型。我們從應用優化、系統軟件支持和硬件支持等多個層次開展了研究工作。研制了支持時序圖的并行計算系統Chronus;研制了在單機圖處理系統GridGraph,在單個服務器結點上的處理性能優于國際流行系統在64個結點上的性能;研制了交互式社交網絡分析系統Acolyte,能夠對TB級的圖進行交互式分析和可視化展現。研制了面向數據密集型計算的定制CPU。相關成果已應用于中國移動、中國聯通、捷通華聲等公司。在EuroSys,OOPSLA,SC等系統領域重要會議上發表論文多篇。

全過程計算機系統評測

高性能計算機對我國的國防安全與科技進步具有重要意義。國家投入巨資建設高性能計算機,設計建造時間可長達數年。如何保證投入巨資建設的高性能計算機滿足用戶的需求是一個亟待解決的問題。我們提出并實現了一套對高性能機的設計、實現、部署及驗收等各階段進行全過程評測的方法,包括:在設計階段對設計方案進行驗證和性能模擬及預測;在實現階段對各環節進行監督和階段性模塊測試,確保系統設計的有效實施;在驗收階段,對硬件及業務系統進行完整的功能和性能測試;在部署階段,對系統進行周期性體檢式測試,確保系統健康。

開發出一整套全過程評測程序,自2004年始至今,已對包括國內民用領域最高性能的若干套百萬億次機、40余個大型高性能計算系統進行評測。所測系統上運行的業務應用涉及電信、公安、石油、氣象、制藥、教育等重要行業,通過測試避免了巨大損失,尤其對保障我國網絡信息安全發揮了重要作用。申請或授權專利7項,并在SC/PPoPP/ICS等并行處理領域國際頂級會議論文發表論文10余篇,獲部級科技一等獎兩項。

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