材料分析HPC解决方案

计算材料学(ComputationalMaterialsScience)是近年来飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚物理、材料物理学、理论化学、材料力学和工程力学、计算机算法等多个相关学科。学科旨在利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征,并对于材料的结构和物性进行理论预言,从而达到设计新材料的目的。

1、方案背景

计算材料学(Computational Materials Science)是近年来飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚物理、材料物理学、理论化学、材料力学和工程力学、计算机算法等多个相关学科。学科旨在利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征,并对于材料的结构和物性进行理论预言,从而达到设计新材料的目的。

与传统的物理、化学、材料等学科相比,计算材料学仍是一门正处在迅猛发展时期的新兴学科。在材料领域,计算模拟可以取代一些投入高、周期长的实验研究,从而大幅度降低研发投入的人力、物力成本,显著加快研发周期。

计算材料学常用的计算方法包括第一性原理从头计算法,分子动力学方法,蒙特卡洛方法,元胞自动机方法、相场法、几何拓扑模型方法、有限元分析等,使用到的主流软件有VASP、Gaussian、Materials Studio等等,通常这些应用有这些运行特征:计算量大、向量化程度高、进程间通信频繁,这些应用的运行往往需要高主频多核CPU、高主频内存和高速InfiniBand网络。

而GPU 的加入则有效提高了HPC的模拟能力。结合算法以及理论,在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究,也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能,模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理,进而实现材料服役性能的改善和材料设计,有效减少了在优化材料和设计新工艺方面所必须进行的大量试验。

景派科技丨超算丨HPC

2、方案描述

材料分析领域的应用往往呈现计算量大、向量化程度高、进程间通信频繁的特点。基于此特点,使用于材料分析领域的HPC解决方案首先要提供较高的算力支持,以应对其大量的浮点运算需求;然后进程间通信频繁,需要从软件和硬件层面降低其通信时延;其次是对于内存性能要求较高,需要高主频的内存为其频繁的数据交换提供支持。景派科技多年来专注于为客户提供针对专业领域的HPC解决方案,为生命科学研究领域的用户解决了以下痛点问题:

(1)算力和并行性能

材料分析领域的应用往往会进行大规模高精度的快速傅里叶变换(FFT),因而对于算力要求高。与此同时,材料领域的应用较为成熟,优化较好,向量化程度较高,因而并行运行的收益较高。景派科技不仅选用主流的英特尔至强系列多核处理器,并且针对材料模拟分析领域应用的特征进行了针对性测试。因而本方案不仅能够满足算力需求,跟能最大程度发挥并行性能,带来极高的性价比。

(2)内存容量和性能

很多传统的材料分析领域HPC解决方案只是象征性地提高了内存容量,忽略了内存主频和内存带宽,导致内存成为了严重的瓶颈。材料分析模拟领域的应用运行时往往需要在主存内做大量的数据交换,因而内存频率和带宽是和容量同等重要的。在保证强大的内存拓展性的前提下,景派科技优先选用高主频内存,且结合至强系列处理器的对称多通道技术,成倍提升内存带宽,无惧内存性能瓶颈!

(3)节点间通信性能

材料分析领域的引用大多进程间通信频繁,而大规模的材料分析模拟计算往往需要跨节点运行,因而节点间通信性能将会成为此领域内应用大规模分布式计算的性能瓶颈。景派科技不仅为HPC集群提供高效的并行任务调度系统,更为HPC集群搭建高性能的InfiniBand网络,软硬结合,提升节点间通信效率,降低通信延迟,加速跨节点任务的运行!

(4)支持CPU+GPU异构协同计算

材料分析模拟领域的应用发展较早,至今已经发展得较为成熟,因而很多应用已经开始支持GPU加速,并且能够带来很好的加速效果。景派科技作为专业的HPC方案提供商,很早以前便已开始适用于材料分析领域的GPU加速计算集群方案的研发,可为需要的用户提供基于NVIDIA的Tesla平台的方案,全面加速超大规模材料分析和模拟计算!

(5)高系统稳定性

应用于科学计算领域的HPC系统通常都是长期高负荷下运行,系统的稳定性尤为重要。因而景派科技提供成熟的HPC运维管理方案,使用统一的集群监控管理、作业调度系统,结合景派强大的售后技术保障体系,从各个方面保证整套系统的稳定性,降低故障率,能够让用户在无后顾之忧的前提下专心做计算。


景派科技丨超算丨HPC

材料分析HPC架构

3、方案优势

(1)专业的技术支持

景派科技拥有一支专业化的HPC应用分析团队,可以针对客户应用,运用成熟的测试方案进行专业化的分析,不仅可以为客户提供针对性的高性价比HPC解决方案,更可以为用户提供高效率的优化计算方案。

(2) 澎湃算力和超高并行度

材料分析领域的应用更加注重并行度,高并行度带来的收益远大于一昧提高CPU主频。景派科技不仅注重集群的高性能,更加注重于提升从单节点到集群的并行度,我们的研发技术部门长期对专业领域的并行计算场景进行测试,积累了很多优秀的方案!因而我们的HPC集群不仅有着澎湃算力,更是适配过用户的实际使用场景,能够充分发挥软件的并行性能,带来可观的并行收益!

(3)极高的可拓展性

用户的使用场景不可能是一成不变的,在材料分析领域更是如此,因为往往不累类型的材料分析和模拟计算对硬件系统有着不同的需求。景派科技的HPC集群产品在研发的时候充分考虑到这一点,预留丰富的拓展接口,供用户使用过程中个性化拓展硬盘、内存等;更是考虑到了用户拓展节点的需求,在软件和硬件层面均提供支持。而且考虑到GPU加速在材料分析或模拟领域大发展越来越快,我们的HPC集群还支持GPU的拓展!

(4)无明显性能瓶颈

传统的HPC厂商提供的方案往往只是简单的硬件搭配,并没有根据实际应用场景进行测试优化,因而往往在CPU、内存、硬盘、集群网络的某一方面存在性能瓶颈,造成不必要的性能浪费。景派科技在研发HPC解决方案的时候充分考虑集群在实际运行环境下的性能发挥,合理搭配,不让某一硬件存在明显的性能瓶颈,极大的压榨硬件性能,提高性价比!

(5)任务的优先级管理

在使用HPC集群的时候,经常会遇到一些紧急的任务需要马上计算。景派科技的HPC集群提供任务优先级管理功能,能够在资源不足时,挂起当前任务,紧急项目或任务可以获得更高的优先级,提前执行。

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