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揭开HPC应用的神秘面纱

方春林(Qiyu8)2022-10-13openEulerHPC

本文作者:方春林(Qiyu8) 原文来源:https://zhuanlan.zhihu.com/p/489828346


关于作者 方春林,Numpy/Taro Maintainer,USIMD和HPCRunner开源项目Leader,目前主要聚焦于openEuler HPC SIG运营,openEuler HPC SIG致力于建立气象、分子动力学、生物和制造等领域的生态交流圈,打造HPC多样性算力部署调优统一平台,自动容器化助力极简部署,一站式调优HPC应用,让看似阳春白雪的HPC应用走向平民化!


1. 前言

说起高性能计算(High Performance Computing,缩写 HPC),很多人第一个想法就是动辄亿亿次浮点运算的“超级计算机”,国家花这么大代价做出来的机器干啥用呢,其实大到天气预报、飞机制造、新冠疫苗研发,小到唐氏筛查、《熊出没》渲染,到处可见HPC的身影,就拿最近的北京冬奥会来说,其成功举办就脱离不了济南超算对空气质量预报准确及时的预警,当然HPC也可以离我们很远,举几个戈登贝尔奖的栗子(被誉为“超级计算应用领域”内的诺贝尔奖)。

获奖年份获奖项目超算系统
2021超大规模量子随机电路实时模拟中国.神威
2020超过一亿个原子的分子动力学模拟计算美国.Summit
2016千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟中国.神威

对超算来说硬件很重要,但现在是“软件吞噬一切”的时代,路修的再好没有车在上面跑也没用,如果把开源软件比作汽车市场,那么HPC应用就是这个市场中的 “豪车”,为了追求最极致的性能,它们用着最先进的“发动机”(编译器)、最复杂的“轮胎”(并行技术),同时也拥有最繁琐的“机械结构”(安装和调优流程),优化过HPC应用的“赛车手”都有一个感受:抱黄连敲门—苦到家了,难怪HPC被喻为是IT行业“金字塔上的明珠”,本文旨在通过部署调优一个量子化学的HPC应用让大家直观的感受HPC的魅力,让看似阳春白雪的HPC也能走向平民化,走向每个人、每个家庭、每个组织。

2. 求解薛定谔方程

波函数被证明对获取材料的宏观性能(如光学性质、力学性质、热力学性质、磁学性质)极具价值,现实中的物质由多个电子构成的,它们的波函数该如何求解?一个铁原子有26个电子,两个有52个电子,计算2个铁原子相互作用时,需要计算任意一个与其它51个电子的相互作用,当计算原子数增加时,计算量呈指数增加,100个铁原子的计算量恐怕都是天文数字了,更不要说几十万个原子(纳米材料),这就不得不提著名的Kohn-Sham公式,他将多电子体系近似用一个或几个函数来代替求解多体薛定谔方程,计算量大大减少,Kohn因为这个公式获1998年Nobel化学奖,本文要介绍的HPC应用QE就是这个公式的开源实现,在量子化学领域被广泛应用,从官网介绍来看,“QUANTUM ESPRESSO是一种用于电子结构计算和材料建模的量子化学方法的软件套件,在GNU通用公共许可证下免费分发。它基于密度泛函理论,平面波基组和赝势(包括范数守恒和超软)理论。”,这段文字看不懂没关系,只要记住求解公式是这个就行了:

1

▲ Kohn-Sham公式

3. 安装QE

准备工作:CentOS7/openEuler+ARM服务器

QE的安装可以参考文档(https://support.huaweicloud.com/prtg-kunpenghpcs/openmind_kunpengqe_02_0001.html)一步步安装。

但是本文推荐另一种更简便的安装方式,那就是HPC贾维斯助(https://gitee.com/openeuler/hpcrunner),专门为HPC应用打造的一键依赖安装、环境配置、编译、运行、调优平台,将HPCRunner解压或者clone到服务器某个位置,其目录结构及说明如下所示:

2 ▲ 贾维斯源码目录

步骤1:进入这个贾维斯目录并初始化环境

cd hpcunner

source ./init.sh

步骤2:拷贝QE的HPC配置并切换到改配置(基于鲲鹏GCC+OpenMPI技术栈)

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

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

步骤3:获取QE及依赖软件

l 下载QE 6.4版本(https://github.com/QEF/q-e/archive/refs/tags/qe-6.4.1.tar.gz),解压至tmp目录

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


2 将QE的算例也拷贝至/tmp

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

步骤4:一键下载并安装依赖

l 执行如下命令安装鲲鹏GCC+OpenMPI (请准备咖啡,5分钟左右)

./jarvis -d -dp

3 ▲ 下载依赖并安装

步骤5:一键编译QE

./jarvis -b

4 ▲ QE的编译

步骤6:一键运行QE

./jarvis -r

5 ▲ QE的运行

几分钟后应该可以看到“JOB DONE”字样,经过14次SCF自洽运算我们就可以得出原子间的能量值,到这里你已经体验了一遍HPC应用的安装运行全流程了。

4. QE调优

在HPC应用运行的过程中,可以通过perf性能工具无侵入式的采集热点函数数据,而且以目录树的形式展现出来。


步骤1:运行QE

./jarvis -r



步骤2:新建窗口并进入hpcrunner目录,运行性能采集命令

./jarvis -p

从热点函数实时分布图可以看出除了MPI通信之外,GEMM矩阵运算操作占比较高,可以考虑使用openblas进行替代,同时可以考虑把编译器换成毕昇、MPI通信库换为HyperMPI。


步骤3:拷贝优化配置

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



步骤4:切换到优化配置

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



步骤5:一键下载并安装依赖(大概6分钟左右)

./jarvis -d -dp



步骤6:一键编译QE

./jarvis -b



步骤7:一键运行QE

./jarvis -r

6 ▲ 优化之后的QE

这次的运行时间是不是更短了呢?让我们对比一下前后的性能情况吧

7 ▲ QE前后性能对比

如果你也得到了这个结果,那么恭喜你完成了一次HPC应用的调优!

5. 总结

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越,实际HPC应用的优化之路险阻而又漫长,越是交叉学科越需要全人类的智慧共同参与才能结出美丽的果实,但是我坚信只要一直走,总有一天会到达目的地。

美好的未来在前方,如果您对HPC有兴趣请加入到openEuler HPC SIG,这里除了有迁移调优技术分享,还有大量开源实习机会(https://gitee.com/openeuler/hpcrunner/issues),在家也能领工资,更有百万奖金众智计划等你来拿。请关注开源项目贾维斯,为多样性算力添砖加瓦,共建openEuler生态。

欢迎围观联系,加入交流群openEuler HPC SIG

https://gitee.com/openeuler/hpcrunner

欢迎关注贾维斯项目:

https://gitee.com/openeuler/hpc


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