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数值气象领域解决方案

1.用户需求

气象、海洋和环境这三个领域是关系一个国家长治久安的重要领域,这三个领域的变化和规律时刻影响着国家的国计民生,同时利用好这些领域变化所带来的信息资源也是对国家发展和民众生活具有巨大的裨益。

气象领域的中尺度区域气象预报,海洋领域的物理海洋、海洋地质、海洋生物、海洋声学以及环境领域的大气环境领域等的应用涉及到的信息安全级别较高,程序模式众多、计算量大、通信频繁、IO 需求大,需要构建一个具备高安全性、高性能、高可用性、高可靠性的计算系统。尤其是中尺度气象的应用,它是现代气象科学中发展迅速的一个重要分支,它所研究的大气中尺度运动,关系到区域重要灾害性天气的发现和预防。它一方面应用卫星、雷达、风廓线仪和自动观测站等一系列新的探测工具,通过中尺度野外试验,揭示中尺度观测事实;另一方面通过中尺度数值模式,对中尺度天气过程进行深入的模拟研究和预报试验。随着近年来计算机技术的迅速发展,中尺度数值模式已日趋成熟,成为中尺度气象的一个重要的研究和应用手段。

中尺度数值气象预报模式有许多,其中MM5是目前国内外应用较为广泛的模式,被广泛的应用于国内外各气象部门和相关机构。

2. 现存问题

气象、海洋、环境领域模式从软件的处理流程上看,一般分为前处理、主模式和后处理三个过程。前处理包括资料的传输下载、数据同化等等,后处理主要是指图形化处理生成产品等,前/后处理一般对计算机要求不是太高。主模式是整个系统的主要部分,也是主要计算量所在,这个部分是对计算机性能要求较高,整个模式系统从前处理到主模式然后到后处理这样的流程运行下来也需要系统具有较高的稳健性,所以优秀的模式软件应用专家支持及硬件级的系统技术支持均对模式的良好使用也是关键。

对于构建一个安全可靠的针对气象、海洋的高性能计算系统,在选择基础硬件环境时,以下三点是非常重要的。

(1)高计算、网络性能

(2)高性能的分布IO或者并行文件系统

(3)系统的高安全可靠性

3. 如何解决

针对上述气象、海洋领域模式的主要特点:高安全可靠性、浮点计算量较大、通信密集、要求系统具有高稳定性和高I/O吞吐能力。曙光高性能计算机系统区别于传统的集群高性能计算机,在如上几个方面进行了强化设计。

曙光自主可控气象集群中的CPU采用龙芯3A四核心处理器做为计算用处理器,每颗龙芯64位1.0GHz 3A 的4Core CPU实现16 Gflops浮点计算能力;每个普通计算刀片实现32Gflops浮点计算能力;每箱计算刀片服务器节点实现320Gflops浮点计算能力;

网络系统方面采用单向40Gb/s高速QDR Infiniband作为通信网络以解决中大规模系统中的网络压力问题,Infiniband网络是当今业界最成熟的通用高速网络,在目前TOP500的大型集群系统中占据着绝对主流。

为保证应用的数据访问的性能和安全,在存储硬件方面,曙光提供的多方位一系列的存储品牌,如DS800,DS600,DS200等系列产品,存储软件方面,ParaStor100是曙光公司自主研发的第三代并行文件系统。它采用全局文件系统和提供单一系统映象,在使用上和传统的共享文件系统没有任何差别。但在性能上,通过采用了多存储服务器、协作式多元数据服务器、直接数据通路、聚合I/O带宽等技术,实现了IO访问带宽接近线性的性能提高。同时实现超大容量的文件系统,支持PB级超大容量文件、千万个以上的文件/目录。

系统软件方面,曙光自身强大的研发团队结合曙光多年的行业支持经验开发出众多方便用户管理系统和使用应用的优秀软件,同时借力于中国科学院计算所、国家智能中心等高端研究机构的研究成果,曙光也一直秉持着贴近用户需求与技术革新的行业理念。

综合上述分析,安全可靠的气象领域解决方案如下图所示:


基于龙芯刀片的曙光高性能集群系统,不仅具有Cluster架构的普适性优点,而且更加符合现代高性能计算机对计算密度、能耗、可靠性、易用性等方面的要求,是高性能计算的最佳平台。

对于峰值性能通常超过数Tflops的大规模并行计算机而言,刀片式集群系统在计算密度、功耗散热、运营成本、维护成本、可靠性等方面,都明显优于其他系统,且为系统的扩容升级提供了良好的基础。

龙芯3A是我国新一代高性能计算机通用CPU,集成了四个64位超标量处理器核、4MB的二级Cache、两个DDR2/3内存控制器、两个高性能HyperTransport控制器,可以满足中尺度数值预报的计算需求

              

  

曙光光TC2600L是曙光公司最新研发的龙芯刀片服务器系统,是在国家“863”计划和“核高基”专项支持下,完全自主创新的重大成果。计算刀片采用国产的龙芯LoongSon3A四核心处理器,BIOS由曙光公司自主独立开发,操作系统采用中标麒麟Linux。是一款从核心处理器、到基础架构、到操作系统,具有完全自主知识产权的划时代的服务器产品。

TC2600L推动服务器向更高计算密度、更多集成功能和更强管理能力的方向发展,提供更加卓越的计算处理性能、简单方便的部署使用和全方位的监控管理,可以显著提高数据中心和高性能计算中心的生产率和工作效率,最大限度地降低IT运营和管理维护成本。采用整体优化的策略,有效降低了系统功耗,再加上其人性化的设计、超强的系统扩展能力、卓越的性价比和计算密度,可以覆盖更广泛的用户需求。与传统的服务器相比,TC2600L刀片服务器可提供更有竞争力的整体解决方案,是满足更高计算性能需求和运行关键应用程序的理想平台。

4. 方案效益

曙光针对气象、海洋领域特定用户的需求,结合曙光在国产处理器平台上的高性能计算系统的实施经验,制作了适用于该领域的完整方案,供用户选择采用。可以为该领域的广大科研和业务工作人员提供实实在在的便利及业务提升。

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