高性能计算技术实战手册

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高功能计算技术实战手册
第一章 高功能计算基础............................................................................................................... 2
1 高功能计算概述............................................................................................................. 2
2 高功能计算机硬件架构................................................................................................. 2
2.1 处理器........................................................................................................................ 2
2.2 存储器........................................................................................................................ 2
2.3 通信网络.................................................................................................................... 3
2.4 外部设备.................................................................................................................... 3
3 高功能计算软件环境..................................................................................................... 3
3.1 操作系统.................................................................................................................... 3
3.2 编译器........................................................................................................................ 3
3.3 库函数........................................................................................................................ 3
3.4 并行计算框架............................................................................................................. 3
第二章 编程模型与并行计算....................................................................................................... 4
1 MPI 并行编程.................................................................................................................. 4
2 OpenMP 并行编程............................................................................................................ 4
3 GPU 并行编程.................................................................................................................. 5
第三章 高功能计算优化策略....................................................................................................... 5
1 功能分析工具................................................................................................................ 5
2 编译器优化.................................................................................................................... 6
3 内存管理优化................................................................................................................ 6
第四章 高功能计算存储系统....................................................................................................... 6
1 存储系统概述................................................................................................................ 7
2 存储系统功能评估......................................................................................................... 7
3 存储系统优化策略......................................................................................................... 7
第五章 高功能计算网络通信....................................................................................................... 8
1 网络通信概述................................................................................................................ 8
2 网络通信协议................................................................................................................ 8
3 网络通信功能优化......................................................................................................... 9
第六章 大规模并行计算应用....................................................................................................... 9
1 大规模并行计算概述..................................................................................................... 9
2 大规模并行计算算法................................................................................................... 10
3 大规模并行计算实例................................................................................................... 10
第七章 高功能计算在科学计算中的应用................................................................................. 11
1 气象预报...................................................................................................................... 11
2 地震勘探...................................................................................................................... 11
3 生物信息学.................................................................................................................. 12
第八章 高功能计算在工程计算中的应用................................................................................. 12
1 结构分析...................................................................................................................... 12
2 流体力学...................................................................................................................... 13
3 仿真优化...................................................................................................................... 13

第九章 高功能计算在人工智能领域的应用............................................................................. 13
9.1 机器学习...................................................................................................................... 13
9.1.1 概述.......................................................................................................................... 13
9.1.2 高功能计算在机器学习中的优势........................................................................... 14
9.1.3 典型应用案例........................................................................................................... 14
9.2 深度学习...................................................................................................................... 14
9.2.1 概述.......................................................................................................................... 14
9.2.2 高功能计算在深度学习中的优势........................................................................... 14
9.2.3 典型应用案例........................................................................................................... 14
9.3 人工智能算法优化....................................................................................................... 14
9.3.1 概述.......................................................................................................................... 15
9.3.2 高功能计算在算法优化中的应用........................................................................... 15
9.3.3 典型应用案例........................................................................................................... 15
第十章 高功能计算发展趋势与展望......................................................................................... 15
10.1 量子计算.................................................................................................................... 15
10.2 异构计算.................................................................................................................... 15
10.3 高功能计算与大数据结合......................................................................................... 16
第一章 高功能计算基础
1.1 高功能计算概述
高功能计算（High Performance Computing，简称 HPC）是指运用高功能
计算机系统，对大规模、复杂的问题进行快速、高效计算的技术。它涉及多个学
科领域，包括计算机科学、数学、物理学、化学、生物学等。高功能计算在科研、国
防、工业、金融等领域具有重要应用价值，已成为推动科技创新和产业升级的关
键技术。
1.2 高功能计算机硬件架构
高功能计算机硬件架构主要包括处理器、存储器、通信网络和外部设备等。
以下分别对这几部分进行简要介绍：
1.2.1 处理器
处理器是高功能计算机的核心部件，负责执行计算任务。高功能计算机通常
采用多核处理器，以提高计算速度。处理器的主要技术指标包括核心数量、主频
缓存大小等。目前国际上主流的高功能计算机处理器有 Intel Xeon、AMD EPYC 等。
1.2.2 存储器
存储器用于存放数据和程序。高功能计算机存储系统通常分为内存和外部存
储。内存主要采用动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）等技术，

具有高速、易失性等特点。外部存储则采用硬盘、固态硬盘等设备，具有容量大、

持久存储等特点。

1.2.3 通信网络

通信网络是高功能计算机内部各个节点之间进行数据传输的通道。高功能计

算机通信网络通常采用高速以太网、InfiniBand等技术，具有较高的带宽和低

延迟。通信网络的设计和优化对提高高功能计算机的整体功能具有重要意义。

1.2.4 外部设备

外部设备主要包括输入输出设备、显示设备等。在高功能计算机系统中，外

部设备主要用于数据输入、结果输出和可视化展示等。技术的发展，外部设备在

功能和功能方面也在不断提升。

1.3 高功能计算软件环境

高功能计算软件环境主要包括操作系统、编译器、库函数、并行计算框架等。

以下分别对这几部分进行简要介绍：

1.3.1 操作系统

操作系统是高功能计算机系统的基础软件，负责管理计算机硬件资源和提

供用户接口。在高功能计算领域，常用的操作系统有 Linux、Unix等。这些操作

系统具有稳定性、可扩展性等特点，能够满足高功能计算机的运行需求。

1.3.2 编译器

编译器是将高级语言编写的程序转换为计算机硬件能识别的机器语言的工

具。在高功能计算领域，常用的编译器有 Intel 编译器、GCC 等。编译器在功能优

化、并行计算等方面发挥着重要作用。

1.3.3 库函数

库函数是预先编写好的、用于解决特定问题的函数集合。在高功能计算领域

常用的库函数有 BLAS、LAPACK等。这些库函数经过优化，能够提高计算效率。

1.3.4 并行计算框架

并行计算框架是支持高功能计算机进行并行计算的基础软件。常见的并行计

算框架有 MPI、OpenMP 等。这些框架提供了并行计算的基本功能，如任务分配、

数据通信等，有助于开发高功能计算应用程序。

第二章编程模型与并行计算

2.1 MPI 并行编程

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高功能计算技术实战手册第一章高功能计算基础...............................................................................................................21.1高功能计算概述.............................................................................................................21.2高功能计算机硬件架构.....................................

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