USIMD和HPCRunner開源項(xiàng)目Leader，目前主要聚焦于openEuler HPC SIG運(yùn)營，openEuler HPC SIG致力于建立氣象、分子動(dòng)力學(xué)、生物和制造等領(lǐng)域的生態(tài)交流圈，打造HPC多樣性算力部署調(diào)優(yōu)統(tǒng)一平臺(tái)，自動(dòng)容器化助力極簡(jiǎn)部署，一站式調(diào)優(yōu)HPC應(yīng)用，讓看似陽春白雪的HPC應(yīng)用走向平民化！

1. 前言

說起高性能計(jì)算（High Performance Computing，縮寫 HPC），很多人第一個(gè)想法就是動(dòng)輒億億次浮點(diǎn)運(yùn)算的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，國家花這么大代價(jià)做出來的機(jī)器干啥用呢，其實(shí)大到天氣預(yù)報(bào)、飛機(jī)制造、新冠疫苗研發(fā)，小到唐氏篩查、《熊出沒》渲染，到處可見HPC的身影，就拿最近的北京冬奧會(huì)來說，其成功舉辦就脫離不了濟(jì)南超算對(duì)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)警，當(dāng)然HPC也可以離我們很遠(yuǎn)，舉幾個(gè)戈登貝爾獎(jiǎng)的栗子(被譽(yù)為“超級(jí)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域”內(nèi)的諾貝爾獎(jiǎng))。

對(duì)超算來說硬件很重要，但現(xiàn)在是“軟件吞噬一切”的時(shí)代，路修的再好沒有車在上面跑也沒用，如果把開源軟件比作汽車市場(chǎng)，那么HPC應(yīng)用就是這個(gè)市場(chǎng)中的 “豪車”，為了追求最極致的性能，它們用著最先進(jìn)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”(編譯器)、最復(fù)雜的“輪胎”(并行技術(shù))，同時(shí)也擁有最繁瑣的“機(jī)械結(jié)構(gòu)”(安裝和調(diào)優(yōu)流程)，優(yōu)化過HPC應(yīng)用的“賽車手”都有一個(gè)感受：抱黃連敲門—苦到家了，難怪HPC被喻為是IT行業(yè)“金字塔上的明珠”，本文旨在通過部署調(diào)優(yōu)一個(gè)量子化學(xué)的HPC應(yīng)用讓大家直觀的感受HPC的魅力，讓看似陽春白雪的HPC也能走向平民化，走向每個(gè)人、每個(gè)家庭、每個(gè)組織。

2.求解薛定諤方程

波函數(shù)被證明對(duì)獲取材料的宏觀性能(如光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì))極具價(jià)值，現(xiàn)實(shí)中的物質(zhì)由多個(gè)電子構(gòu)成的，它們的波函數(shù)該如何求解？一個(gè)鐵原子有26個(gè)電子，兩個(gè)有52個(gè)電子，計(jì)算2個(gè)鐵原子相互作用時(shí)，需要計(jì)算任意一個(gè)與其它51個(gè)電子的相互作用，當(dāng)計(jì)算原子數(shù)增加時(shí)，計(jì)算量呈指數(shù)增加，100個(gè)鐵原子的計(jì)算量恐怕都是天文數(shù)字了，更不要說幾十萬個(gè)原子（納米材料），這就不得不提著名的Kohn-Sham公式，他將多電子體系近似用一個(gè)或幾個(gè)函數(shù)來代替求解多體薛定諤方程，計(jì)算量大大減少，Kohn因?yàn)檫@個(gè)公式獲1998年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)，本文要介紹的HPC應(yīng)用QE就是這個(gè)公式的開源實(shí)現(xiàn)，在量子化學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，從官網(wǎng)介紹來看，“QUANTUM ESPRESSO是一種用于電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和材料建模的量子化學(xué)方法的軟件套件，在GNU通用公共許可證下免費(fèi)分發(fā)。它基于密度泛函理論，平面波基組和贗勢(shì)（包括范數(shù)守恒和超軟）理論。”，這段文字看不懂沒關(guān)系，只要記住求解公式是這個(gè)就行了：

▲ Kohn-Sham公式

3. 安裝QE

準(zhǔn)備工作：CentOS7/openEuler+ARM服務(wù)器

QE的安裝可以參考文檔

(https://support.huaweicloud.com/prtg-kunpenghpcs/openmind_kunpengqe_02_0001.html)一步步安裝。

但是本文推薦另一種更簡(jiǎn)便的安裝方式，那就是HPC賈維斯助手(https://gitee.com/openeuler/hpcrunner)，

專門為HPC應(yīng)用打造的一鍵依賴安裝、環(huán)境配置、編譯、運(yùn)行、調(diào)優(yōu)平臺(tái)，將HPCRunner解壓或者clone到服務(wù)器某個(gè)位置，其目錄結(jié)構(gòu)及說明如下所示：

▲ 賈維斯源碼目錄

步驟1：進(jìn)入這個(gè)賈維斯目錄并初始化環(huán)境

cd hpcunner

source ./init.sh

步驟2：拷貝QE的HPC配置并切換到改配置(基于鯤鵬GCC+OpenMPI技術(shù)棧)

cp ./templates/qe/6.4/data.qe.test.config ./

./jarvis -use data.qe.test.config

步驟3：獲取QE及依賴軟件

l 下載QE 6.4版本(https://github.com/QEF/q-e/archive/refs/tags/qe-6.4.1.tar.gz)，解壓至tmp目錄

tar -xzvf ./downloads/q-e-qe-6.4.1.tar.gz -C /tmp

l 將QE的算例也拷貝至/tmp

cp -rf ./workloads/QE/qe-test /tmp

步驟4：一鍵下載并安裝依賴

l 執(zhí)行如下命令安裝鯤鵬GCC+OpenMPI(請(qǐng)準(zhǔn)備咖啡，5分鐘左右)

./jarvis -d -dp

▲ 下載依賴并安裝

步驟5：一鍵編譯QE

./jarvis -b

▲ QE的編譯

步驟6：一鍵運(yùn)行QE

./jarvis -r

▲ QE的運(yùn)行

幾分鐘后應(yīng)該可以看到“JOB DONE”字樣，經(jīng)過14次SCF自洽運(yùn)算我們就可以得出原子間的能量值，到這里你已經(jīng)體驗(yàn)了一遍HPC應(yīng)用的安裝運(yùn)行全流程了。

4. QE調(diào)優(yōu)

在HPC應(yīng)用運(yùn)行的過程中，可以通過perf性能工具無侵入式的采集熱點(diǎn)函數(shù)數(shù)據(jù)，而且以目錄樹的形式展現(xiàn)出來。

步驟1：運(yùn)行QE

./jarvis -r

步驟2：新建窗口并進(jìn)入hpcrunner目錄，運(yùn)行性能采集命令

./jarvis -p

從熱點(diǎn)函數(shù)實(shí)時(shí)分布圖可以看出除了MPI通信之外，GEMM矩陣運(yùn)算操作占比較高，可以考慮使用openblas進(jìn)行替代，同時(shí)可以考慮把編譯器換成畢昇、MPI通信庫換為HyperMPI。

步驟3：拷貝優(yōu)化配置

cp ./templates/qe/6.4/data.qe.test.opt.config ./

步驟4：切換到優(yōu)化配置

./jarvis -use data.qe.test.opt.config

步驟5：一鍵下載并安裝依賴(大概6分鐘左右)

./jarvis -d -dp

步驟6：一鍵編譯QE

./jarvis -b

步驟7：一鍵運(yùn)行QE

./jarvis -r

▲ 優(yōu)化之后的QE

這次的運(yùn)行時(shí)間是不是更短了呢？讓我們對(duì)比一下前后的性能情況吧

▲ QE前后性能對(duì)比

如果你也得到了這個(gè)結(jié)果，那么恭喜你完成了一次HPC應(yīng)用的調(diào)優(yōu)！

5.總結(jié)

雄關(guān)漫道真如鐵,而今邁步從頭越，實(shí)際HPC應(yīng)用的優(yōu)化之路險(xiǎn)阻而又漫長(zhǎng)，越是交叉學(xué)科越需要全人類的智慧共同參與才能結(jié)出美麗的果實(shí)，但是我堅(jiān)信只要一直走，總有一天會(huì)到達(dá)目的地。