1.生物計(jì)算用戶需求
 

于多方面的原因，很多生物計(jì)算的用戶還在使用工作站，乃至PC機(jī)作為計(jì)算平臺(tái)，不能滿足科研的需要。

事實(shí)上，幾乎所有的生物計(jì)算用戶對(duì)計(jì)算平臺(tái)都有更高的需求，科研工作需要匹配較高性能的并行計(jì)算平臺(tái)。但用戶要購(gòu)置并行計(jì)算機(jī)會(huì)遇到一些問(wèn)題，這些問(wèn)題很有代表性，體現(xiàn)了許多高性能計(jì)算用戶的共同困惑，解決這些問(wèn)題，提供適合的高性能計(jì)算系統(tǒng)解決方案是用戶的切實(shí)需求。

用戶的困難體現(xiàn)在：

經(jīng)費(fèi)有限
只有幾十萬(wàn)，甚至十幾萬(wàn)的預(yù)算，采購(gòu)高性能并行計(jì)算機(jī)力不從心，如果采購(gòu)低端的計(jì)算機(jī)，則性能、穩(wěn)定性、易用性等沒(méi)有保證。

沒(méi)有機(jī)房
沒(méi)有專用機(jī)房，采購(gòu)了并行計(jì)算機(jī)無(wú)處放置；有的單位雖有中心機(jī)房，但計(jì)算機(jī)放置在機(jī)房里給使用管理帶來(lái)諸多不便，受到很多限制，不能滿足用戶的要求。

供電問(wèn)題
沒(méi)有條件為高性能計(jì)算機(jī)專門配電，只能使用普通墻電。
噪音污染
辦公室環(huán)境不容許計(jì)算機(jī)有很大的噪音，普通的機(jī)架式集群或刀片服務(wù)器都不可放置在辦公室環(huán)境。有些用戶在辦公室劃出一定區(qū)域使用玻璃墻隔離出來(lái)，以放置并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但其噪音仍然比較大，影響用戶正常工作和身體健康。

性能效率低
并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入高效能時(shí)代，對(duì)用戶而言，重要的是應(yīng)用性能和產(chǎn)出率，理論性能相對(duì)而言并不重要。生物計(jì)算平臺(tái)需要達(dá)到一定的性能，以取代工作站和PC機(jī)，滿足科研對(duì)計(jì)算處理能力的需要，同時(shí)要保證高效率。

安裝部署困難
高性能計(jì)算平臺(tái)是相對(duì)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，包括多種硬件，系統(tǒng)軟件，并行中間件，應(yīng)用軟件等多個(gè)層次。系統(tǒng)的安裝部署，以及必要時(shí)的恢復(fù)也比較繁瑣，對(duì)于非專業(yè)人士更是如此。困難還體現(xiàn)在應(yīng)用軟件的部署和優(yōu)化。

管理不便
很多用戶對(duì)并行計(jì)算機(jī)的使用管理感到是一種負(fù)擔(dān)，有時(shí)需要專門的系統(tǒng)管理員來(lái)管理并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。管理不便給系統(tǒng)的正常使用造成隱患，并且會(huì)增加成本。

功耗較大
高性能計(jì)算平臺(tái)是相對(duì)較大的系統(tǒng)，功耗相對(duì)較大，因此，功耗是用戶最為關(guān)注的問(wèn)題之一，往往會(huì)影響到用戶的抉擇。節(jié)能環(huán)保不僅可以為用戶節(jié)省電費(fèi)，也符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展理念。

TCO過(guò)高
在幾年前，擁有并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是相對(duì)奢侈的科研條件。現(xiàn)在雖然硬件價(jià)格下降較快，但計(jì)算系統(tǒng)的TCO仍然不低。TCO是綜合成本，很多時(shí)候，采用某個(gè)方案或某種產(chǎn)品，可以降低某個(gè)點(diǎn)的費(fèi)用，但卻增加了其他點(diǎn)的費(fèi)用，TCO并沒(méi)有降低，甚至更高了。
解決以上問(wèn)題，才可以使更多的用戶使用到高性能計(jì)算機(jī)，促進(jìn)高性能計(jì)算的普及。所以市場(chǎng)需要一種新的高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)品和方案，為用戶提供理想的計(jì)算平臺(tái)

 

2.曙光PHPC100

曙光PHPC100是曙光公司在2008年5月推出的新型高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，PHPC100是個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)，也可以稱為桌面高性能計(jì)算機(jī)。

曙光PHPC100具有以下特點(diǎn)：

· 是一種模塊化、集群（Cluster）架構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)
· 具有PC機(jī)、工作站、低端小型機(jī)所無(wú)法比擬的性能
· 無(wú)需專業(yè)的機(jī)房、供電設(shè)施、散熱設(shè)施，可以和PC機(jī)、工作站一樣，放置在辦公桌的桌面附近，適合辦公室環(huán)境 #p#page_title#e#
· 配置專用的軟件包，可以實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)安裝部署
· 具有良好的易用性，對(duì)使用者的門檻要求很低
· 管理簡(jiǎn)單方便，無(wú)需專門的系統(tǒng)管理人員

曙光PHPC100采用全模塊化設(shè)計(jì)，背板連接，包括5個(gè)計(jì)算模塊，最大支持10顆雙核/四核處理器，采用20Gb Infiniband高性能網(wǎng)絡(luò)和千兆以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。

多臺(tái)PHPC100可以互連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模的可擴(kuò)展，并有效保證用戶投資。系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展后，每個(gè)計(jì)算模塊仍然可以保持高速Infiniband網(wǎng)絡(luò)連接，保證系統(tǒng)性能的可擴(kuò)展性。

PHPC100支持WCCS2003、WHS2008、SuSE Linux、RedhatLinux、CentOS等操作系統(tǒng)，配備系統(tǒng)管理軟件和應(yīng)用軟件包。

曙光PHPC100有如下優(yōu)勢(shì)：

· PHPC100是專業(yè)為HPC應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算平臺(tái)。
· PHPC100在硬件上采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，非常便于安裝、管理和維護(hù)。同時(shí)在軟件上，采用定制化的高性能計(jì)算系統(tǒng)軟件環(huán)境，專業(yè)的高性能設(shè)計(jì)方便用戶的使用和維護(hù)。
·采用低噪音、低輻射等辦公環(huán)境設(shè)計(jì)，便于用戶的使用。同時(shí)，通過(guò)管理軟件和應(yīng)用軟件包，降低了用戶的使用和管理難度。
·采用X86集群架構(gòu)，易于保證和核心高性能計(jì)算環(huán)境的同構(gòu)和兼容。PHPC100可以配置40個(gè)處理器核心，并可以通過(guò)多臺(tái)PHPC100互連的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

.PHPC100在生物計(jì)算中的應(yīng)用

3.1適用性分析

受限于應(yīng)用軟件的性能可擴(kuò)展性，并行計(jì)算平臺(tái)并不是規(guī)模越大性能越好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)生物計(jì)算應(yīng)用軟件的性能可擴(kuò)展性在8－60，更多的進(jìn)程并不能帶來(lái)性能的提升。

單臺(tái)PHPC100可以配置5個(gè)計(jì)算模塊，達(dá)到40個(gè)處理器核心，可以滿足大多數(shù)生物計(jì)算應(yīng)用的需要。在有擴(kuò)展需求的情況下，可將多臺(tái)PHPC100互連，解決系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。6臺(tái)PHPC100互連，可以實(shí)現(xiàn)240個(gè)處理器核心的并行處理，幾乎可以滿足所有的應(yīng)用需要。

所以與其他計(jì)算平臺(tái)相比，曙光PHPC100可以生物計(jì)算用戶提供非常具有特色和優(yōu)勢(shì)的解決方案，適用在辦公室環(huán)境，從而避開(kāi)了需要專用機(jī)房等苛刻要求。

3.2生物計(jì)算軟件包

為了提高系統(tǒng)的易用性，優(yōu)化應(yīng)用軟件的性能，曙光PHPC100平臺(tái)配備了高性能計(jì)算應(yīng)用軟件包。
軟件包中包含了生物計(jì)算領(lǐng)域經(jīng)常使用的多個(gè)應(yīng)用軟件，包括MPIBlast，Gromacs，NAMD，DOCK，Palm等。只需要菜單式操作，就可以實(shí)現(xiàn)這些軟件在PHPC100上的自動(dòng)安裝部署，用戶可以直接運(yùn)行應(yīng)用程序。

3.3推薦配置

曙光PHPC100計(jì)算機(jī)基于模塊化設(shè)計(jì)，作為生物計(jì)算平臺(tái)時(shí)，推薦配置如下：

3.4方案優(yōu)勢(shì)

1）. 工作站的價(jià)格
PHPC100計(jì)算機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，標(biāo)準(zhǔn)配置在二十萬(wàn)人民幣左右，隨配置的變化價(jià)格差異也比較大。較低的價(jià)格為普通用戶使用并行計(jì)算機(jī)敞開(kāi)了大門，可以進(jìn)一步促進(jìn)高性能計(jì)算的普及，從事生物研究的每個(gè)組織和個(gè)人都可以買得起PHPC100，用得起高性能計(jì)算機(jī)。

2）. 高性能計(jì)算機(jī)的性能
PHPC具有高性能計(jì)算機(jī)的性能。PHPC首先是HPC，屬于高性能計(jì)算機(jī)的范疇。事實(shí)上，PHPC100可以提供40個(gè)處理器核心，通過(guò)Infiniband網(wǎng)絡(luò)互連，可以發(fā)揮出優(yōu)異的并行處理性能，滿足大部分生物計(jì)算應(yīng)用的需要。多臺(tái)PHPC100可以互連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)展，同時(shí)保持系統(tǒng)性能的可擴(kuò)展。

3）. PC機(jī)的使用環(huán)境
PHPC100屬于個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)，也可以稱為桌面高性能計(jì)算機(jī)，可以同PC機(jī)一樣在辦公室環(huán)境使用，對(duì)機(jī)房、供電、制冷沒(méi)有特殊的要求。PHPC100計(jì)算機(jī)噪音小，輻射低，從而保證了辦公室環(huán)境使用的可行性。

4）. 生物計(jì)算應(yīng)用軟件包
PHPC100配置了生物計(jì)算應(yīng)用軟件包，軟件包中包括多種生物計(jì)算應(yīng)用軟件。軟件包可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的自動(dòng)安裝部署，并做了針對(duì)性優(yōu)化。在PHPC100平臺(tái)上，用戶可以直接運(yùn)行應(yīng)用軟件，避免了軟件安裝部署以及配置優(yōu)化的繁瑣過(guò)程。

5）. 易管理使用
PHPC100計(jì)算機(jī)配置了管理軟件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的管理維護(hù)，管理使用PHPC100計(jì)算機(jī)就像管理使用PC機(jī)一樣方便。 #p#page_title#e#

6）. 整體擁有成本低
使用PHPC100計(jì)算平臺(tái)，用戶不僅僅是降低了計(jì)算機(jī)的采購(gòu)成本，而且節(jié)省了機(jī)房等基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用，節(jié)省了工業(yè)專用空調(diào)等制冷設(shè)備。并且，PHPC100采用了環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)，與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，能耗更低。PHPC100計(jì)算平臺(tái)不需要專職系統(tǒng)管理人員，可以節(jié)省人力成本

 

4.性能分析

4.1分析方法

從計(jì)算特性上分析，生物計(jì)算的類型主要包括兩類：

（一）高通量計(jì)算（定點(diǎn)計(jì)算）
基因序列比對(duì)、藥物篩選等
計(jì)算任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，進(jìn)程間無(wú)通信或通信量很小，要求充分利用系統(tǒng)的計(jì)算資源，使總吞吐量最高
需要較大的內(nèi)存，較高的數(shù)據(jù)I/O吞吐量；較強(qiáng)的并發(fā)處理能力

（二）高性能計(jì)算 （浮點(diǎn)計(jì)算）
蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、基因進(jìn)化分析、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算
利用大量資源共同解決一個(gè)任務(wù)，使求解時(shí)間最短
進(jìn)程間通信密集，網(wǎng)絡(luò)性能要求高

為了掌握PHPC100計(jì)算平臺(tái)針對(duì)生物計(jì)算應(yīng)用的性能表現(xiàn)，對(duì)兩個(gè)典型應(yīng)用軟件做了性能測(cè)試，并和其他計(jì)算平臺(tái)的性能測(cè)試結(jié)果做了對(duì)比。MPIBlast是高通量計(jì)算的典型代表，Gromacs是高性能計(jì)算的典型代表。

4.2MPIBLAST性能分析

（一）軟件介紹
BLAST是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的序列比對(duì)軟件，用于基因序列的兩兩比對(duì)，由NCBI研制。MPIBLAST是NCBI BLAST的并行化實(shí)現(xiàn)，基于標(biāo)準(zhǔn)MPI并行環(huán)境，可以免費(fèi)下載使用。

MPIBLAST軟件的計(jì)算特點(diǎn)：
· 定點(diǎn)運(yùn)算為主；
· 內(nèi)存需求量大；
· MPI通信比較少，主要是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的讀寫(xiě)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有一定要求；
· I/O量比較大；

（二）測(cè)試平臺(tái)
測(cè)試在3個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行：
曙光PHPC100，5個(gè)計(jì)算模塊，使用Barcelona 2350處理器，主頻2.0GHz
曙光A950r-F胖計(jì)算節(jié)點(diǎn)，8個(gè)AMD Opteron8212雙核處理器，主頻2.0GHz
IBM P575小型機(jī)，8個(gè)Power5雙核處理器，主頻1.9GHz

（三）測(cè)試結(jié)果
使用MPIBLAST 1.4.0版本；數(shù)據(jù)庫(kù)使用month.aa，庫(kù)所占空間為106MB；查找序列的輸入文件為F.joh_aa.fasta，查找1500個(gè)序列；
測(cè)試結(jié)果如下：

（四）結(jié)果分析
在曙光PHPC100上，MPIBLAST有著優(yōu)異的性能表現(xiàn)； 單進(jìn)程的搜索速度較快；多進(jìn)程并行搜索時(shí)，達(dá)到了近乎線性的加速比；
2個(gè)節(jié)點(diǎn)的PHPC100的性能就高于1臺(tái)A950r-F；一臺(tái)曙光PHPC100（39進(jìn)程）高于IBM P575（8路雙核），而價(jià)格則大概為其1/5； 

4.3GROMACS性能分析

（一）軟件介紹
GROMACS是用于研究生物分子體系的分子動(dòng)力學(xué)程序包。它可以用分子動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)動(dòng)力學(xué)或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子，進(jìn)行分子能量的最小化，分析構(gòu)象等。GROMACS最初是設(shè)計(jì)為生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸、脂類等物質(zhì)的計(jì)算、分析服務(wù)的。由于其在非成鍵作用力的互相作用方面具有極強(qiáng)的計(jì)算能力，很多研究機(jī)構(gòu)也用其來(lái)計(jì)算、研究非生物的大分子系統(tǒng)，如聚合體等。

GROMACS是開(kāi)源軟件，最初由荷蘭的Groningen大學(xué)的Department of Biophysical Chemistry開(kāi)發(fā)。可以免費(fèi)使用，有基于MPI的并行版本。

并行GROMACS軟件的計(jì)算特點(diǎn)：
· 計(jì)算密集型的程序，浮點(diǎn)運(yùn)算量很大；
· GROMACS程序?qū)?nèi)存的要求很?。?br /> · MPI通信頻繁，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)性能要求高；
· I/O量一般，在REMD模式下稍大

（二）測(cè)試平臺(tái)
測(cè)試在3個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行：
曙光PHPC100，5個(gè)計(jì)算模塊，使用Barcelona 2350處理器，主頻2.0GHz
SUN4600胖計(jì)算節(jié)點(diǎn)，8個(gè)AMD Opteron8214雙核處理器，主頻2.2GHz
IBM P575小型機(jī)，8個(gè)Power5雙核處理器，主頻1.9GHz

（三）測(cè)試結(jié)果
GROMACS使用源代碼編譯，版本為GROMACS-3.3.1；fftw為使用源代碼編譯，版本為fftw-3.0.1；測(cè)試中采用默認(rèn)優(yōu)化參數(shù)。使用gcc編譯器，測(cè)試算例為gmxbench中的d.dppc，原子數(shù)目為121856，模式10ps；
數(shù)據(jù)為程序運(yùn)行最后輸出的real time，單位為s；

結(jié)果分析 #p#page_title#e#

曙光PSC平臺(tái)發(fā)揮了出色的浮點(diǎn)計(jì)算性能；
· 1套曙光PSC的性能為1臺(tái)SUN 4600（8路雙核）的3倍；
· 1套曙光PSC的性能優(yōu)于1臺(tái)IBM P575；

案例分析

曙光服務(wù)器用戶體驗(yàn)中心成為PHPC100計(jì)算機(jī)在生物領(lǐng)域的第一個(gè)用戶。
曙光服務(wù)器體驗(yàn)中心是綜合性的用戶體驗(yàn)平臺(tái)，許多生物計(jì)算的用戶在體驗(yàn)中心做應(yīng)用軟件的性能測(cè)試。PHPC100部署到體驗(yàn)中心后，作為生物計(jì)算平臺(tái)達(dá)到了很好的效果。系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，放置在值班區(qū)的辦公環(huán)境使用，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)測(cè)試的驗(yàn)證，PHPC100計(jì)算機(jī)性能出色