GPU加速高性能计算应用程序

      十几年前，还不曾有加速应用程序。而如今已有近600个应用程序通过NVIDIA GPU实现了提速。

      这些应用程序涵盖了物理、生物科学、分子动力学、化学和天气预报等各个领域。其中包括全球最热门的15个高性能计算应用程序，也都是通过GPU实现加速的。去年，NVIDIA GPU应用程序目录收录了100多个应用程序，接下来还会有更多的程序将被陆续添加到目录中

      Intersect 360研究所一份报告中收录了数据中心运行的各个关键应用程序。其中，排名前15的应用程序均由GPU加速，这些都是一系列杀手级的核心科学应用程序。其中包括：

l  GROMACS（化学）– 分子动力学应用程序，旨在模拟包含了数百到数百万个粒子的系统的牛顿运动方程。

l  ANSYS（流体动力学分析）– 模拟液体和气体与表面的相互作用。

l  Gaussian（化学）– 预测分子系统的能量、分子结构和振动频率。

l  VASP（化学）– 用于从头计算法量子力学分子动力学模拟。

l  NAMD（化学）– 大型生物分子系统的高性能模拟

l  Simulia Abaqus（结构分析）– 用于结构力学的模拟和分析

l  WRF（天气/环境建模）– 数值天气预报系统，专为大气研究和操作预测应用程序而设计

l  OpenFOAM（流体动力学分析）– 通用型 CFD 软件的求解器库

l  ANSYS（结构分析）– 对高频和高速电子元件中的 3D 全波电磁场进行建模

l  LS-DYNA（结构分析）– 结构力学的模拟和分析工具

l  BLAST（生物科学）– 应用最为广泛的生物信息学工具之一

l  LAMMPS（化学）– 经典分子动力学程序包

l  Amber（化学）– 专门针对生物分子系统模拟而开发的分子动力学应用程序

l  Quantum Espresso（化学）– 一套集成的计算机代码，用于电子结构计算和纳米级材料建模

l  GAMESS（化学）– 用于模拟原子和分子电子结构的计算化学套件

这些工具本身无法实现性能的递增性提升。但通过采用NVIDIA GPU的服务器，其性能通常可提高 10 倍或更多。并且，GPU加速可以改善数据中心的经济效益。

预测天气

      天气预报是一项远比其看起来更加困难的工作。天气预报是高性能计算领域的一个重要分支。准确可靠的天气预报不仅可以拯救生命，还有助于航空、能源和公用事业、保险、零售和其他行业做出经济决策。

      天气预报需要大量的计算资源，包括几何尺度（尤其是全球天气预报），和大量描述大气状态的变量。

      但是，受限于可用的计算量和应用程序的性能，当前的天气预报模型仅限于低分辨率的模拟，例如12公里的分辨率。

这些模型忽略了一些重要的细节，例如云层的影响（云层可以反射太阳辐射，在天气模式中扮演着重要的角色）。采用1公里云分辨率可以改善预测效果，但这需要 应用程序的性能提升1700倍。

     GPU加速可以弥补此差距，提高天气预报的准确性

加速空气动力学模拟

使用NASA的FUN3D代码模拟SLS Block 1B助推器分离流场。该图片由Jamie Meeroff，Henry Lee，NASA/Ames提供。

      火箭能够以超高的速度飞行，然而利用大规模空气动力学模拟，我们可以对其进行改进，让火箭可以飞得更快、更高效。

      NASA兰利研究中心开发的FUN3D计算流体动力学软件，可用于模拟各种空气动力学应用程序中的流体流动。该应用程序在NASA Pleiades超级计算机上消耗的周期比其他任何应用程序都要多。借助于GPU加速，采用了6个NVIDIA V100 Tensor Core GPU的服务器能够以高出双插槽CPU服务器 30倍 的性能运行这些模拟。

      总结：GPU具备非常好的性能，从而高效地计算规模更大、更复杂的模拟。NASA已经证明，在Summit超级计算机上，仅需运行1000台GPU服务器就可以完成100多万个CPU核心的工作。而且，其能源成本远低于CPU。

性能持续提升

      我们在各个加速计算领域都拥有深厚的储备。结合由100多万名开发人员组成的生态系统，将共同形成一个不断改进的平台。该平台可以在相同的 GPU加速服务器上提供更高的应用程序性能。

      例如，在包含 11 个高性能计算应用程序的组合中，对于采用4个NVIDIA Tesla P100 GPU的服务器，其当前的运行速度比两年前提高了2倍。如果同时改进软件堆栈和GPU架构，您可以获得更大的性能提升。

      现在，通过单一平台，您可以加速各种高性能计算领域的应用程序：科学计算、工业模拟、深度学习和机器学习。