本文選自開放架構(gòu)HPC技術(shù)與生態(tài)白皮書，本文介紹ARM指令集兼容架構(gòu)的HPC應(yīng)用系統(tǒng)兼容生態(tài)完備度、易用性特征。

HPC 應(yīng)用生態(tài)的行業(yè)特征明顯，例如油氣、制造 CAE 行業(yè)以商業(yè)軟件為主，但教育、氣象、生命等行業(yè)以開源軟件為主；不同學(xué)科的軟件應(yīng)用特征差異很大。

先介紹 ARM 上若干重要科學(xué)和工程計算領(lǐng)域應(yīng)用軟件；ARM 應(yīng)用生態(tài)存在與其他架構(gòu)應(yīng)用生態(tài)類似的幾個特點：

（1）大型軟件與小型軟件并存。傳統(tǒng)高性能計算領(lǐng)域，如 CFD 計算、結(jié)構(gòu)力學(xué)、氣候氣象等，主要依賴于若干大型應(yīng)用軟件一次性完成仿真計算工作。生物信息等領(lǐng)域，依賴一系列軟件，分步驟協(xié)同完成仿真計算工作。

（2）計算密集型與訪存密集型并存。信息安全領(lǐng)域中的口令恢復(fù)和分子動力學(xué)計算，計算量大，訪存和內(nèi)存要求低。而對于離散成稀疏線性系統(tǒng)的科學(xué)計算，計算訪存比低，訪存速度是限制應(yīng)用實際計算性能的首要因素。

（3）通信自由型和通信受限型并存。對于線性系統(tǒng)求解類應(yīng)用，由于只需要對殘差等少量數(shù)據(jù)進行全局通信，可擴展性好，并行效率高。對于大量數(shù)據(jù)全局操作，如矩陣轉(zhuǎn)置等，可擴展性差，有些只能擴展到幾十個節(jié)點。

（4）進程級并行和任務(wù)級并行并存。能力型應(yīng)用和大型問題采用進程級并行，通過分布式多核并行實現(xiàn)極大規(guī)模可擴展并行計算。普適型應(yīng)用和海量問題通常采用任務(wù)級并行，一次性提交成百上千個任務(wù)，一個任務(wù)使用 1-100 個計算節(jié)點，通過高并發(fā)實現(xiàn)并行計算。

（5）單一并行與混合并行并存。大部分軟件采用單一并行模式，85% 以上支持 MPI 并行。小部分僅支持 OpenMP 并行，極少數(shù)支持多級混合并行，甚至異構(gòu)并行。

（6）核心算法簡潔與流程復(fù)雜并存。科學(xué)計算應(yīng)用聚集到稀疏線性系統(tǒng)求解，口令恢復(fù)主要包括AES 等核心算法，非確定性粒子輸運模擬主要是粒子追蹤。

總體而言，ARM 指令集兼容架構(gòu)在 HPC 領(lǐng)域的應(yīng)用生態(tài)是相對完備的，在重要的科學(xué)計算領(lǐng)域中無論是商業(yè)軟件還是開源軟件均有 ARM 指令集版本。

以國家超級計算長沙中心的天河新一代系統(tǒng)為例，已成功部署了 Lammps、Abinit、VASP、Gromacs、CP2K 等基礎(chǔ)科研軟件，WRF 等氣象海洋軟件，OpenFoam、NekTar++ 等制造仿真開源軟件和 YH-ACT、YH-Aero、YH-SAS、YH-MAX 等天河生態(tài)工程計算軟件，tensorflow、tensorflow-lite 等人工智能軟件，opencv、graph500 等圖計算軟件，以及beagle、bookleaf、fftw、Laghos、numpy、atlas 等數(shù)學(xué)庫，與基于 x86 架構(gòu)的超算系統(tǒng)對科學(xué)計算應(yīng)用的支持覆蓋率相當。

基礎(chǔ)科研

基礎(chǔ)科研涵蓋的領(lǐng)域范圍廣，涉及分子動力學(xué)、計算化學(xué)、地球物理、石油地質(zhì)、高能物理、天體物理、量子力學(xué)等，相關(guān)軟件種類繁多，其中相當一部分軟件為用戶自研。

分子動力學(xué)是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠計算機來模擬分子、原子體系的運動，是一種多體模擬方法。通過對分子、原子在一定時間內(nèi)運動狀態(tài)的模擬，從而以動態(tài)觀點考察系統(tǒng)隨時間演化的行為。通常，分子、原子的軌跡是通過數(shù)值求解牛頓運動方程得到，勢能通常可以由分子間相互作用勢能函數(shù)、分子力學(xué)力場、全始計算給出。常用軟件包括 NAMD、Lammps、Amber、ABinit、CPMD、VASP、QE、DL POLY、Siesta、Gromacs 等。其中 Lammps、Abinit、VASP、Gromacs 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

計算化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支，其主要目的是利用數(shù)學(xué)近似和電腦程序計算分子性質(zhì)，例如總能量、偶極矩、四極矩、振動頻率、反應(yīng)活性等，并用以解釋一些具體的化學(xué)問題。常用軟件包括Wannier90、PSI、GAMESS、CP2K、NWchem、Octopus 等。，其中，CP2K 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

地球物理是透過定量物理方法研究地球的自然科學(xué)學(xué)科，研究范圍包括地球的地殼、地幔、地核和大氣層，通常使用地震波、重力、電磁、地?zé)岷头派淠艿榷康奈锢矸椒ā鹘y(tǒng)地球物理學(xué)主要指固體地球物理學(xué)，現(xiàn)代地球物理學(xué)的研究延伸到地球大氣層外部的現(xiàn)象，例如電離層電機效應(yīng)、極光放電和磁層頂電流系統(tǒng)，甚至延伸到其他行星及其衛(wèi)星的物理性質(zhì)。常用軟件包括 Landmark、Petrl、tesseral、Madagascar 等。

石油地質(zhì)學(xué)是研究石油和天然氣在地殼中生成、運移和聚集規(guī)律的地質(zhì)學(xué)分支學(xué)科，是石油和天然氣地質(zhì)學(xué)的簡稱。主要的勘探方法包括四類：地質(zhì)法、地球物理法、地球化學(xué)法和鉆探法。常用軟件包括 KronosFlow、basinmod、ChemStat、CMG Suite、FlowSolv 等。

高能物理學(xué)是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學(xué)分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們。常用軟件包括 Geant4、ROOT、Moose Framework 等。

天體物理學(xué)，又稱天文物理學(xué)，是研究宇宙的物理學(xué)，這包括星體的物理性質(zhì)（光度，密度，溫度，化學(xué)成分等等）和星體與星體彼此之間的相互作用。應(yīng)用物理理論與方法，天體物理學(xué)探討恒星演化、恒星結(jié)構(gòu)、星際物質(zhì)、宇宙微波背景、太陽系的起源和許多跟宇宙學(xué)相關(guān)的問題。常用軟件包括CASA、DS9、Starfinder 等。

量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論。它與相對論一起被認為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。許多物理學(xué)理論，如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科，都是以其為基礎(chǔ)。量子理論的重要應(yīng)用包括量子化學(xué)、量子光學(xué)、量子計算、超導(dǎo)磁體、發(fā)光二極管、激光器、晶體管和半導(dǎo)體如微處理器等。常用軟件包括 VASP、CASTEP、MS、ELK、ASW、abinit、CP2K、QE、flapw 等。其中 VASP、abinit、CP2K 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

氣候海洋

數(shù)值天氣預(yù)報需要海量的地理信息、實時的氣象信息以及復(fù)雜的計算邏輯，WRF 是當前最為先進和廣泛使用的數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)。

天氣預(yù)報即綜合氣象站、衛(wèi)星等采集的信息數(shù)據(jù)，對一定區(qū)域范圍內(nèi)未來一段時間的天氣情況進行預(yù)測，時間尺度一般是 1 小時 ~30 天。天氣預(yù)報可以指導(dǎo)人民生產(chǎn)生活，防范極端天氣，方便人們出行，天氣預(yù)報的常用開源軟件有 WRF、GFS。

海洋模擬可用于全球海洋洋流變化、海洋溫度、波浪變化、河口海口沉積物演變等研究。海洋領(lǐng)域模式眾多，且大多為開源。比較常見的軟件包括：NEMO、SWAN、FVCOM、ROMS、HYCOM、WaveWatch3、ECOMSED、ECOM、POP、POM、MOM4、MITgcm 等，其中，NEMO 用于海洋環(huán)流、氣候研究，ROMS 用于三維海洋建模，SWAN 用于波浪仿真。海洋模擬需要對海量數(shù)據(jù)、眾多的數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)集進行調(diào)查、觀測、計算，并對海洋數(shù)據(jù)進行快速交互與分析處理。

制造仿真

伴隨中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級進程加速，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中正在大量使用計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)，以計算機輔助設(shè)計（CAD）、工程分析仿真驗證（CAE）、電子設(shè)計自動化（EDA）、計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）為代表的 CAX 研發(fā)軟件已經(jīng)成為先進制造業(yè)及相關(guān)科研院所、設(shè)計單位不可或缺的重要研發(fā)工具。

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真包含流動、湍流、熱傳遞和反應(yīng)等廣泛物理現(xiàn)象，其應(yīng)用范圍廣。歐美國家已在計算流體力學(xué)領(lǐng)域深耕多年，開發(fā)出了以Ansys、Abaqus、ESI VPS 等為代表的典型應(yīng)用。開源軟件如 OpenFOAM、SU2、PALABOS、Deal.II、Code Saturne 等。

結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真研究的主要內(nèi)容包括計算固體材料的形變、應(yīng)力和應(yīng)變，通常用來確定結(jié)構(gòu)（例如橋梁）的強度，以防止發(fā)生損壞或事故。結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)用范圍包括建筑橋梁設(shè)計、器件模塊設(shè)計，車輛、艦船設(shè)計等。當前結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域典型軟件如 Elmer、Code Aster。

計算電磁學(xué)是現(xiàn)代電磁理論研究的主流，其建立在電磁場理論基礎(chǔ)上，以高性能計算機技術(shù)為工具，運用計算數(shù)學(xué)方法，專門解決復(fù)雜電磁場與微波工程問題。電磁工業(yè)軟件作為仿真計算的工具，如 ANSYS HFSS、FEKO、ANSYS Maxwell，已被廣泛應(yīng)用于電子裝備的電磁設(shè)計中。

生命科學(xué)

生命科學(xué)是高性能計算的重要應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多樣。隨著基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組、醫(yī)療影像等生物大數(shù)據(jù)井噴式增長，對數(shù)據(jù)存儲的要求越來越高，同時，數(shù)據(jù)分析和挖掘過程中對算力和高性能計算技術(shù)的要求也越來越高。常用軟件包括：BLAST、BWA、CNVnator、HISAT2、Bowtie、Minimap2、diamond、hisat 等。

虛擬藥物篩選是藥物篩選技術(shù)發(fā)展的另一個方向，是將藥物篩選的過程在計算機上模擬，對化合物可能的活性作出預(yù)測。比較常見的軟件包括：PyRx、DOCK、DSMS、Sybyl、QSAR、octave 等。

醫(yī)學(xué)影像提供了功能性和結(jié)構(gòu)性的臨床信息，如何從影像中分析疾病相關(guān)信息，并加快其分析速度以及提高醫(yī)學(xué)影像的圖像質(zhì)量是醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域亟需解決的問題。如 Relion、GDS3D、eman2 等。

地球物理

CitcomS是一種有限元代碼，用于解決與地幔有關(guān)的可壓縮熱化學(xué)對流問題。軟件為開源軟件遵循 GPL-2.0 協(xié)議。ASPECT是 由 CIG組織開發(fā)的一套開源地球動力學(xué)熱對流模擬代碼，旨在為地學(xué)工作者提供一套具備高可用性、高可擴展性、數(shù)值求解算法先進、文檔完備的開源軟件。

下面，介紹下我國自主研制的若干科學(xué)和工程應(yīng)用軟件。

中國科學(xué)院相關(guān)單位研發(fā)的芯片后端驗證工具 ChEDA、離散顆粒運動模擬軟件 DPS、擬顆粒模擬 PPM+、天體物理模擬軟件 PHoToNs、相場模擬軟件 ScLETD、分子動力學(xué)模擬軟件DeePMD-kit、格點量子色動力學(xué)CLQCD、海洋環(huán)流模式 LICOM。

中國空氣動力研究與發(fā)展中心NNW 系列軟件，國防科技大學(xué)銀河矩陣計算軟件YHMatrix、不可壓縮流體計算軟件 YHACT、銀河通用網(wǎng)格生成軟件 YHGRID，西安電子科技大學(xué)計算電磁軟件LASPCEM，自然資源部第一海洋研究所海浪模式 MASNUM，西安航空計算技術(shù)研究所外流仿真分析軟件 WiseCFD-UG，中國核動力研究設(shè)計院MOI-X 與MORE，西北工業(yè)大學(xué)航發(fā)仿真應(yīng)用計算軟件AES，北京理工大學(xué)全波數(shù)值電磁仿真軟件 SINOCOM等。

審核編輯 ：李倩