GPU已加速的近600个高性能计算应用程序都有哪些？

2019-02-14 09:00

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研究所的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：

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。
ANSYS（流体动力学分析）– 模拟液体和气体与表面的相互作用。
Gaussian（化学）– 预测分子系统的能量、分子结构和振动频率。
VASP（化学）– 用于从头计算法量子力学分子动力学模拟。
NAMD（化学）– 大型生物分子系统的高性能模拟。
Simulia Abaqus（结构分析）– 用于结构力学的模拟和分析。
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。
OpenFOAM（流体动力学分析）– 通用型 CFD 软件的求解器库。
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。
LS-DYNA（结构分析）– 结构力学的模拟和分析工具。
BLAST（生物科学）– 应用最为广泛的生物信息学工具之一。
LAMMPS（化学）– 经典分子动力学程序包。
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。
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。
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