“天河一号”大规模并行应用程序测试
“天河一号”大规模并行应用程序测试
本文受国家自然科学基金（61070041）资助。
朱小谦(1974－)，男，博士，国防科技大学计算机学院副研究员，硕士生导师，国家超级计算天津中心副主任。主要研究方向为并行算法、高性能计
算等，Email：zhu_xiaoqian@。
享并行 I/O 结构，总容量 2PB。监控诊断系统采用分布式集 中管理结构，实现系统实时安全监测、控制和调试诊断。编 译系统支持 C、C++、Fortran77/90/95、Java 语言，支持 OpenMP、MPI 并行编程，支持异构协同编程框架，高效发挥 CPU 和 GPU 的协同计算能力。
3.2 飞行器流场模拟仿真
自主开发的飞行器流场模拟仿真软件 CCFD 由中航第一 飞机设计研究院、中国科学院力学研究所、中国航空计算技 术研究所和中科院网络信息中心四家单位共同开发，CCFD 软件主要用于面向航空航天领飞行器设计流场模拟仿真，提 高飞行器气动设计效率。
CCFD 软件在“天河一号”上取得了良好的并行计算加 速比。该测试算例为可压缩平板绕流数值模拟，来流马赫数 等于 8，来流温度等于 169.44K（壁面温度等于 1.9 倍来流 温度），雷诺数等于 2000000。
从2010年l1月天河一号正式发布以来中石油东方地球物理公司bgp中石化物探技术研究院中科院力学所中科院上海药物研究所北大聚变中心北大工学院与信息学院中科院过程所中科院软件所等应用单位与国家超级计算天津中心合作在天河一号上完成了多个典型应用的大规模并行程序测试取得了令人鼓舞的性能测试结果
“天河一号”大规模并行应用程序测试
图 1(a) CCFD 加速比测试
图 1(b) CCFD 加速比测试
除测试并行效率外，还进行了 RAE2822 绕流模拟和强冷 壁平板绕流模拟等测试，均采用了 8192CPU 核，其中 RAE2822 超 临 界翼 型是 NASA NPARC Alliance Verification and Validation Archive 标准算例，有可靠实验数据、高质量 网格及他人计算结果（RANS），但目前尚无 DNS 或 LES 的计 算结果，本应用测试尝试了这方面的工作。而高马赫数高雷 诺数平板绕流是当前国际上的计算难题之一，目前报道到的 比较多的结果是马赫数小于 6，雷诺数约为 2 百万或更低的 结果，本次测试对马赫数等于 8 的平板绕流做了直接数值模 拟并取得良好的测试结果，充分表明“天河一号”超级计算 机在航空航天领域的应用价值。
“天河一号”有多“超级”
龙源期刊网
“天河一号”有多“超级”
作者：白瑞雪
来源：《科学之友》2009年第34期
中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”究竟有多“超级”?以下是一组相关数字。
1206万亿次全系统峰值性能为每秒1206万亿次，Linpack实测性能为每秒563.1万亿次。
这意味着，“天河一号”计算一天，一台配置Intel双核CDu、主频为2.5 GHz的微机需要计算160年。
1PB共享存储总容量为1PB。
按国内数字图书馆应用软件的图片格式PDG为例计算，如果平均每册书大小约10MB的话，“天河一号”的存储量相当于4个国家图书馆(藏书量为2700万册)之和，能够为全国每人储存一张大小接近1 mb的照片。
19个飞船“天河一号”由103台机柜组成，每个机柜占地1.44m2、高2m、重1.5t，系统总重量相当于19个神舟飞船。
把通风等条件考虑在内，放置“天河一号”需要一个近千平方米的房间。
20万行代码全系统包含6144个通用处理器(CPu)和5 120个加速处理器(GPU)，仅系统级软件就有20多万行代码。
按照每人每小时写20行代码的速度，需要写10000h。
10Gbps互联通信网络的单根线传输速率为10Gbps，这是目前国际上最快的速率，相当于在“天河一号”计算机内部修了一条信息高速公路。
200人直接参与“天河一号”研发的科技人员有200多人，平均年龄为36岁。
6亿“天河一号”目前投资为6亿人民币。
从信息技术的发展速度预计，使用寿命预计为10年。
国家超级计算天津中心节点
国家超级计算天津中心节点硬件软件资源国家超级计算天津中心是863网格项目的主结点之一，天津中心主业务计算机“天河一号”是目前世界上运算速度最快的超级计算机之一，拥有强悍的硬件配置和丰富的软件资源。
“天河一号”超级计算机包含7168个计算节点，其中每个计算节点包含2路英特尔至强X5670 CPU 和1路英伟达GPU ，整个系统的峰值速度高达4700TFlops 。
此外，系统共有262TB 内存，2PB 外存，以及自主的高速网络，能为不同的应用领域提供高质量的高性能计算服务。
“天河一号”超级计算机广泛支持第三方应用软件，在商业软件、生物医药软件、计算化学软件、计算材料科学软件、气象软件等方面都有大量的应用案例。
应用领域石油勘探千万亿次运算速度的“天河一号”超级计算机可以在极短的时间内完成了上千平方公里规模的石油数据处理，显著提高了石油勘探准确度，极大地缩短了勘探时间，这样就有利于获得更精确和更丰富的数据来进行三维计算分析，从而更精准经济快速地模拟地下油气藏分布和预测油气储量的数据。
动漫渲染利用“天河一号”千万亿次的高性能计算能力，能够快速、高质的完成动漫和影视特效的渲染，能高效、快速的实现高度复杂、高难度、大场景动漫和影视作品，也可快速、低成本的实现虚拟场景。
生物医药“天河一号”超级计算机可以模拟时间尺度达毫秒级的生物大分子的分子动力学行为，这是在其它一般超级计算机上所不能完成的。
通过分子动力学模拟来阐明生物大分子结构和功能的关系，为开发新药提供重要的理论参考。
工程仿真计算机辅助工程技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。
在国家超级计算天津中心使用的商业软件上，依据算法、所用cpu 核数、以及域分解的划分方法不同，计算速度可以得到显著的提升，目前天津超算中心已经部署了正版的ANSYS FLUENT 、ANSYS CFX 、ANSYS Mechanical 、LSTC LS ‐DYNA 等应用软件。
“天河一号”超级计算机揭开神秘面纱
“天河一号”超级计算机揭开神秘面纱从仅用16小时完成我国最大面积的石油地震勘探数据三维处理，帮助石油企业找寻油气资源，到肩负起中国基因组学“思考大脑”的使命，再到为2012年春晚上“天鹅湖”等节目制作绚烂多姿的背景……“天河一号”———我国目前运行速度最快的超级计算机，正揭开它神秘的面纱，成为推动新兴产业发展的重要创新动力。
超级计算机是世界高新技术领域的战略制高点，是体现科技竞争力和综合国力的重要标志。
记者了解到，在“天河一号”正式投入使用前，我国高性能计算资源相对分散，服务对象多为政府、科研单位，未能上升到服务新兴产业，直接为经济建设服务的高度。
“天河一号”的诞生改变了这一状况。
国防科技大学研究员徐炜瑕介绍，在科技部2009年正式批准成立首家国家级超算中心———国家超级计算天津中心后，天津滨海新区和国防科技大学加快了项目建设步伐。
经过一年多努力，成功研制出我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”。
“为了这一刻我们等了20多年。
”国家超级计算天津中心主任刘光明是“天河一号”发展的见证者。
2010年，他代表天河研发团队赴美领取全球超级计算机500强桂冠证书。
“我们仅用7个月时间就完成机房基础建设，4个月完成‘天河一号’的安装与调试，保证了在超算性能最佳的时期得到充分利用，使其成为当前世界上获得广泛应用的最快的超级计算机系统。
”刘光明自豪地说。
的确“天河一号”投入使用以来，已对我国科研及经济产生较为重大的影响。
它打破了国外在高性能计算核心领域的技术封锁和禁运政策，为解决我国经济、国防、科技等领域的挑战性问题提供了重要手段。
深圳华大基因研究院曾代表我国参与了“国际千人基因组计划”。
院长汪建告诉记者，不断涌现的海量数据成为“基因组学”进一步发展的瓶颈，而高性能计算机为这一领域带来了曙光。
“使用‘天河一号’，过去要一年才能完成的500人基因信息关联性分析，现在只需三个多小时，对于提升我国的综合国力具有重要意义。
中国研制的超级计算机
中国研制的超级计算机中国研制的超级计算机2010-04-06 21：122009年10月29日，中国首台千万亿次超级计算机"天河一号"诞生。
这台计算机每秒1206万亿次的峰值速度和每秒563.1万亿次的LINPACK实测性能，使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。
本文将简略介绍中国超级计算机的概况，包括天河一号及2010年即将面世的曙光6000的简介。
1、什么是超级计算机简单来说，超级计算机就是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，通常是指由数千甚至更多的处理器(机)组成的、能运算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。
多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。
在高运算速度前提下，人们可以通过数值模拟来预测和解释以前无法实验的自然现象，多应用在工业、科研和学术等领域。
2009年世界排名第一的超级计算机走鹃(Roadrunner)在过去的11年，计算机系统的性能从Gigaflops(1986年推出的Cray 2)、到Teraflops(1997年推出的Intel ASCI Red)、再到Petaflops(2008年推出的IBM Roadrunner)，性能增长了1000倍！虽然性能提升速度迅猛，但是高性能运算领域将越来越快被刷新纪录。
2、国内超级计算机发展历程1983年我国第一台被命名为"银河"的亿次巨型电子计算机在国防科技大学诞生后，中国成了继美、日等国之后，能够独立设计和制造巨型计算机的国家。
超级计算机是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。
作为国防方面和高科技发展的要素，超级计算机早已成为世界各国的竞争利器。
时至今日，我国拥有超级计算机22台(中国内地19台，香港1台，台湾2台)，居世界第5位，就拥有量和运算速度在世界上已处于领先地位。
简述天河一号架构
透过天河一号看超级计算机技术在去年10月底，长沙举办的中国高性能计算学术年会上，国防科技大学研制的千万亿次超级计算机“天河一号”成为焦点，这是我国国内计算能力最高的超级计算机，而且标志着我国超级计算机的研发能力成功实现了千万亿次计算的跨越。
超级计算机不仅体现了一个国家战略性高技术的发展水平，也是与科技创新、国计民生密切相关的重要基础设施。
超级计算机的各种应用，实际上会以不同的方式影响到我们每个人，这些似乎遥不可及的超级计算机实际上离我们“非常近”。
你应该知道的超级计算机目前各种超级计算机的高速处理能力基本上都是利用并行体系结构实现的，并行计算(Parallel Computing)已成为提高处理性能的关键技术之一。
简单地讲，并行计算技术就是用同时运行的多个处理机或计算机来处理同一任务，从而大幅度提高任务的处理速度、缩短了任务的处理时间。
超级计算机的五大形态在超级计算机技术的发展历程中，先后出现过多种超级计算机并行体系结构，主要有如下5种。
●并行向量处理(Parallel Vector Processing，PVP)系统并行向量处理结构采用一定数量的、并行运行的向量处理器和共享式内存(Shared Memory，SM)结构的计算机系统。
PVP系统的SM结构，也就是采用高带宽的交叉开关将各个向量处理器与其共享的内存模块连接。
向量处理器 (Vector Processor)的一条指令能够同时对多个数据项(向量矩阵)执行运算，而一般的通用CPU属于标量处理器(Scalar Processor)，每次只能对一个数据项进行处理。
其代表机型有Cray XMP、Cray YNP、NEC SX2、我国的银河一号和二号等。
对称式多处理结构采用一定数量、并行运行的微处理器和共享式内存(SM)结构的计算机系统，各处理器通过系统总线或交叉开关连接共享的内存模块，可“均等”或“对称”地共由同一操作系统管理，提高整个系统的数据处理能力，因此SMP”(Uniform Memory Access，UMA)方式，SMP的代表机型有Sun SPARC Center 2000、曙光一号等。
中国成功研制千万亿次超级计算机“天河一号”
中国成功研制千万亿次超级计算机“天河一号”中广网2010-01-11 09:57/gundong/201001/t20100111_505876093.html这是“天河一号”千万亿次超级计算机系统。
这是科研人员在对“天河一号”超级计算机进行系统性能测试。
10月29日，国防科技大学成功研制出的峰值性能为每秒1206万亿次的“天河一号”超级计算机在湖南长沙亮相。
我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。
超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。
这是“天河一号”千万亿次超级计算机系统。
新华社发（何书远摄）视频：超级计算机“天河一号”研制成功独家采访：国防科技大学校长张育林新华时评：中国自主创新能力的新跨越新华网长沙10月29日电（记者白瑞雪、喻菲、王玉山）随着第一台国产千万亿次超级计算机29日在湖南长沙亮相，作为算盘这一古老计算器的发明者，中国拥有了历史上计算速度最快的工具。
中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生之际，计算机专家对这台全方位的结构、特点与功能进行了全方位解读。
·峰值性能1206万亿次是质的飞跃七大技术四大特点打造“中国第一”公共服务设施承载三大功能超级计算机会代替人脑吗？中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”究竟有多“超级”？以下是一组相关数字。
超级计算机似乎只和科学研究联系在一起。
但事实上，在和大众生活息息相关的各个领域，我们都可以看到超级计算机的身影。
每秒钟1206万亿次的峰值速度和每秒563.1万亿次的Linpack实测性能，使这台名为“天河一号”的计算机位居同日公布的中国超级计算机前100强之首，也使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。
今天全国高性能计算学术会议在长沙召开，大会披露了登顶中国高性能计算机TOP100的“天河一号”超级计算机系统。
这套系统采用了采用了混合异构的环境，主计算系统为Intel 至强5500，采用了ATI的GPU，CPU和GPU数目分别为6144和5120，内存总容量98TB，点点通信带宽40Gbps，共享磁盘总容量为1PB。
超级计算机“天河一号”的使用介绍
超级计算机“天河一号”的使用介绍主题：超级计算机“天河一号”的使用介绍主讲人：国家超级计算长沙中心应用工程师冷灿时间：2016年11月17日下午2：30地点：老T4(第五教学楼东头梯形教室)内容：本着资源共享、合作共建的原则，湖南农业大学和国家超级计算长沙中心携手成立了全国第一家国家超级计算高校分中心，面向全校所有有高性能计算需求的院系、科研平台、实验室、教师、学生提供高性能计算服务。
高性能计算所涉及的科研和教学领域主要有：粮油作物种植信息处理、农业信息化数据处理、作物生长数值模拟、大规模分子动力学数值模拟、基因表达谱数据分析、大规模CAD设计、生物信息学中蛋白质结构和相互作用预测、环境遥感数据处理等。
培训具体内容包括：1、系统平台架构2、系统编译环境3、系统登陆4、作业管理5、部署软件介绍6、软件编译与测试7、常见问题主办单位：湖南农业大学信息化建设与管理中心湖南农业大学科学技术处湖南农业大学研究生院湖南农业大学信息科学技术学院“天河一号”满负荷运行张婷表示，“天河一号”目前已经处于一个满负荷，甚至是超负荷运行的状态，每天在线运行任务超过1400多项，这是欧美国家级超算中心都很难达到的一个业务规模。
“截至目前，天津超算中心已经给全国100多家重要企业提供服务或是形成了深入的合作，已经阶段性地实现节省企业研发投入上亿元，为企业带来相关经济效益超过20亿元。
”她说。
2010年，“天河一号”落户天津滨海新区的国家超级计算天津中心，面向国内外提供石油勘探、高端装备制造、生物医药、动漫设计、新能源、新材料等领域的超级计算服务。
张婷还透露，为了满足企业对云计算服务的需求，2016年，天津超算中心将搭建一批万核的服务平台，同时与国防科技大学联合研发纯自主试验机。
国家超级计算天津中心是由国家科技部于2009年5月批准成立的.第一家超算中心，由天津滨海新区和国防科技大学共同建设。
天津超算中心座落在天津经济技术开发区(泰达)外包服务园5号楼，占用房屋面积约8,500平方米，共建有2个大型机房共约4,000平米，其中一个机房用于安放“天河一号”超级计算机，第二个机房用于云计算和系统扩充。
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令人鼓舞的性能测试结果。目前，“天河一号”在国家超级 计算天津中心为 150 多个用户提供计算服务，具有良好的推 广应用前景。
2 系统概况
“天河一号”（TH-1A）是我国首台千万亿次超级计算机， 采用 CPU 和 GPU 相结合的异构融合计算体系结构，峰值速度 4700TFlops，持续速度 2566TFlops（LINPACK 实测值），内 存总容量 262TB，存储总容量 2PB。
表 1 GeoEast-lightning 软件的应用测试
处理区域
中亚某国 中国东北 某区域
面积 (平方公
里) 1050
680
深度 (公里)
5
9
数据规模 (炮)
70000
80000
计算结 点
7100
7000
系统利 用率
99%
99%
计算 时间 (小时) 16
40
中石化物探技术研究院采用具有自主知识产权的软件
湍流数值模拟，晶体硅分子动力学模拟，全球大气浅水波全隐式数值模拟，地球外核热流动数值模拟等应用的典型算例对“天
河一号”进行了大规模并行程序测试，结果表明“天河一号”在上述应用领域具有良好的可扩展性和并行效率。
关键词 天河一号，高性能计算，应用，并行效率
中图法分类号 TP399
文献标识码 A
The Performance Test of Massively Parallel Program on TH-1A
Abstract TH-1A is the china’s first petaflops supercomputer and is now installed in National supercomputer center in Tianjin, which was ranked No.1 on Top500 list released in Nov. 2010. TH-1A system adopts a hybrid architecture of heterogeneous integration of CPU+GPU and self-intellectual high-speed interconnection system, and shows distinguished system usability, performance stability and application scalability in quite a few high performance computing areas, provides an important platform for science research and technology innovation. In this paper, several large-scale application tests on TH-1A are introduced, such as the oil seismic data processing, aircraft flow field simulation, biomolecular dynamics simulation, magnetic confinement fusion numerical simulation, turbulent flow simulation, crystal silicon molecular dynamics simulation, fully implicit simulation of global atmospheric shallow wave, heat flow simulation of earth outer core. These results show that TH-1A has good parallel efficiency and scalability in practical applications. Keywords TH-1A，High Performance Computing；Application，Parallel efficiency
1 引言
当今世界科技发展日新月异，以信息技术和计算机技术 为基础的高性能计算快速发展，成为继实验科学和理论研究 后的第三大科学研究方法，并迅速成为商业计算和信息化服 务发展的核心动力，推动社会生产力不断发展。高性能计算 机研制和应用是一个国家的核心竞争力，是一个国家综合国 力的体现。
超级计算是在高性能计算机上，采用并行计算技术，针 对大型科学与工程计算问题，实现多个（通常数千个以上） 计算处理器协同并行工作，共同求解大型计算问题。超级计 算主要面向计算密集型和通信密集型应用，通常具有较高的 计算精度和时效性要求。
高性能计算应用是充分发挥超级计算机的计算性能，为 科研和生产服务的关键。从 2010 年 11 月“天河一号”正式 发布以来，中石油东方地球物理公司（BGP）、中石化物探技 术研究院、中科院力学所、中科院上海药物研究所、北大聚 变中心、北大工学院与信息学院、中科院过程所、中科院软 件所等应用单位与国家超级计算天津中心合作，在“天河一 号”上完成了多个典型应用的大规模并行程序测试，取得了
上海药物所采用 Gromaccs 软件对中小规模的模拟体系 （约两万个原子）进行测试。截断半径为 12Å，采用 512 个 核，计算模拟速度大约为 330 纳秒/天，是测试人员目前见 到的最好计算性能结果。大规模的模拟体系（约四十万个原 子），截断半径为 12 Å，采用 2048 个核，Gromacs 计算模拟 速度为 85 纳秒/天，也是非常不错的性能测试结果。
iCluster 地震叠前偏移成像系统中的炮域单程波动方程叠
前深度偏移、kirchhoff 积分法叠前时间体偏移和高斯束叠
前深度偏移三个偏移计算模块对“天河一号”进行性能测试，
测试结果如表 2 所示[2]。
表 2 Kirchhoff 时间偏移及炮域深度偏移的应用测试
偏移算法
Kirchhoff 叠前
时间偏移 炮域波方程 叠前深度
Top500 排名中，位列世界第一。“天河一号”采用了 CPU 与 GPU 相结合的异构融合计算体系结构，自主设计实现了高速互连
通信系统，在多个高性能计算应用领域具有应用适应性强，系统运行稳定可靠，性能可扩展性好等特点，为科学研究和应用
提供了重要的高性能计算平台。本文采用石油地震数据处理，飞行器流场模拟，生物分子动力学模拟，磁约束聚变数值模拟，
全系统包含 7168 个计算结点和 1024 个服务结点。其中， 每个计算结点包含 2 个英特尔至强 X5670 CPU（2.93GHz、6 核）和一个英伟达 M2050GPU（1.15GHz、14 核/448 个 CUDA 核）；每个服务结点包含 2 个飞腾－1000 CPU（1.0GHz，8 核）。全系统共有 3552 个微处理器，其中 CPU 核 102400 个， GPU 核 100352 个。
3.2 飞行器流场模拟仿真
自主开发的飞行器流场模拟仿真软件 CCFD 由中航第一 飞机设计研究院、中国科学院力学研究所、中国航空计算技 术研究所和中科院网络信息中心四家单位共同开发，CCFD 软件主要用于面向航空航天领飞行器设计流场模拟仿真，提 高飞行器气动设计效率。
CCFD 软件在“天河一号”上取得了良好的并行计算加 速比。该测试算例为可压缩平板绕流数值模拟，来流马赫数 等于 8，来流温度等于 169.44K（壁面温度等于 1.9 倍来流 温度），雷诺数等于 2000000。
ZHU Xiao-qian1,2, MENG Xiang-fei1, JIAN Xiao-dong1 , FENG Jing-hua1
(National Supercomputer Center in Tianjin, Tianjin 300457, China)1 (College of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)2
3.3 生物分子动力学模拟 近几十年来，分子动力学(MD)模拟的发展为研究蛋白质
动力学行为、蛋白质动态相互作用和生物网络分析提供了新 的途径，大大扩展了蛋白质科学和其他生命科学研究领域的 广度和深度。目前，MD 模拟与各种实验方法结合，已经成 为研究生命科学问题的一个重要手段。
中科院上海药物研究所（简称上海药物所）与国家超级 计算天津中心合作，在“天河一号”上采用 Gromacs、NAMD 等测试软件，针对不同大小模拟体系开展了一系列 MD 模拟 测试，评估“天河一号”在蛋白质构象变化研究和蛋白质折 叠研究领域的应用价值。
“天河一号”大规模并行应用程序测试
朱小谦 1，2 孟祥飞 1 菅晓东 1 冯景华 1 （国家超级计算天津中心 天津 300457）1 （国防科技大学计算机学院 长沙 410073）2
摘 要 目前安装在国家超级计算天津中心的“天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机，在 2010 年 11 月世界超级计算机
图 1(a) CCFD 加速比测试
图 1(b) CCFD 加速比测试
除测试并行效率外，还进行了 RAE2822 绕流模拟和强冷 壁平板绕流模拟等测试，均采用了 8192CPU 核，其中 RAE2822 超 临 界翼 型是 NASA NPARC Alliance Verification and Validation Archive 标准算例，有可靠实验数据、高质量 网格及他人计算结果（RANS），但目前尚无 DNS 或 LES 的计 算结果，本应用测试尝试了这方面的工作。而高马赫数高雷 诺数平板绕流是当前国际上的计算难题之一，目前报道到的 比较多的结果是马赫数小于 6，雷诺数约为 2 百万或更低的 结果，本次测试对马赫数等于 8 的平板绕流做了直接数值模 拟并取得良好的测试结果，充分表明“天河一号”超级计算 机在航空航天领域的应用价值。
3 应用领域与测试