物理化学领域高性能计算项目案例分析
浅析高性能计算应用的需求与发展
计算机研究与发展ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTPJournal of Computer Research and Development 44(10):1640～1646,2007 收稿日期5;修回日期3 基金项目国家科技基础条件平台建设基金项目(5DK 6);国家自然科学基金项目(6533);国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(5B3);国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目(6,66)浅析高性能计算应用的需求与发展赵 毅 朱 鹏 迟学斌 牛 铁 曹宗雁(中国科学院计算机网络信息中心 北京 100080)(zhaoyi @scca s 1cn )A Br ief Vie w on Requirements an d Development of High Per f or mance Comput ing Applica tionZha o Y i ,Zhu Peng ,Chi X uebin ,Niu Tie ,and Cao Zongyan(Computer Networ k Informa tion Center ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100080)Abstra ct Wi th t he development of HPC (high performance c omput ing )technologies ,HPC has been used to solve t he problems of scientific research and i ndust ry product ion in more and more fields 1HPC applications have developed rapi dly i n many scientific fields and boosted significant t echnology i nnovat ions 1Since 2004,t he Supercomputi ng Center of CAS (t he Chi nese Academy of Sciences )has i nvestigated t he HPC application requirement s of the Elevent h Five 2Y ear Plan i n CAS several ti mes 1The total HPC requirement s of CAS have been calculated based on t he collect ed detail requi rement s in each applicat ion field 1The result s pr ovide references for buil di ng the HPC environment and developing t he HPC applications of t he Elevent h Fi ve 2Y ear Plan in CAS 1In t his paper t he state 2of 2art s in t he research and development of HPC applications is briefly i nt roduced ,the progress of building HPC environment and developing HPC applications i n CAS i s described ,and t he HPC a pplication requirement s of the Elevent h Five 2Y ear Plan i n CAS are also analyzed 1Finally ,t he pr ospect of HPC application development is presented 1K ey w or ds HPC application ;high performance comput er ;gri d ;requirement ;development摘 要 高性能计算应用在高性能计算技术的支持下为科技创新做出了巨大贡献,并且和高性能计算技术在相辅相成中不断发展1自2004年以来,中国科学院计算机网络信息中心超级计算中心针对中国科学院在“十一五”期间的高性能计算需求在全院范围内开展了多次调研活动,对中国科学院在“十一五”期间高性能计算的整体需求及各应用领域需求的分布情况有了比较全面的了解,其调研结果对“十一五”中国科学院高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展具有良好的借鉴作用1首先介绍了国内外高性能计算应用的发展现状,并结合中国科学院高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展情况,分析了“十一五”中国科学院高性能计算的应用需求,最后对我国高性能计算应用的发展前景进行了展望1关键词 高性能计算应用;高性能计算机;网格;需求;发展中图法分类号 TP3381 国内外高性能计算应用发展概况回顾计算机问世半个多世纪的历史,高性能计算应用与高性能计算机技术的发展密不可分1一方面,高性能计算机的研制为高性能计算应用提供了强大工具和物质基础,应用开发也推动了高性能计算机本身的发展1高性能计算应用涉及核武器研究、核材料储存仿真、石油勘探、生物信息技术、医疗和新药研究、计算化学、气象、天气和灾害预报、工业:2007-02-2:2007-07-0:200A 40020020200C 21702200AA01A117200AA01A11过程改进和环境保护等诸多领域1高性能计算机成为推动科技创新、社会进步的重要工具1111 高性能计算机研制推动应用的发展经过近半个世纪的发展,高性能计算机从最初的向量计算机,历经对称多处理机(SMP)、大规模并行处理机(MPP),一直发展到机群系统(cl uster)和星群系统(c onstellation),实现了飞速发展1万亿(Tflops)、百万亿乃至千万亿(Pflops)次的高性能计算机将逐渐进入人们的视野1第29届全球高性能计算机TOP500排行榜[1]中,排名第1的美国能源部劳伦斯-利弗摩尔国家实验室的I BM蓝色基因ΠL Linpack性能为28016Tflops,峰值性能达到367Tflops;排名第2的美国橡树岭国家实验室升级的Cray XT4ΠXT3Linpack性能为10117T flops,峰值性能约为11914Tflops;排名第3的美国能源部桑地亚国家实验室的CRAY“红色风暴”Linpack性能为10114Tflops,峰值性能约为12714Tflops;排名第4的IBM托马斯沃森研究中心的IBM eServer蓝色基因系统Linpack性能为91129Tflops,峰值运算性能约为11417Tflops;安装在纽约计算中心的I BM eServer蓝色基因系统排名第5,Linpack性能约为82116Tflops,峰值性能约为10312Tflops1前3名高性能计算机系统的Linpack性能和前5名的峰值性能均突破了百万亿次(100Tflops)1近两年,关于研制千万亿次高性能计算机的讨论日渐火热1美日两国更是在千万亿次高性能计算机的研制上进行了激烈的竞争,相继推出千万亿次机器的研制计划1例如日本Riken高性能计算中心和NEC针对生化领域的MDGRA PE23,预计在2008年安装在美国能源部橡树岭国家实验室的Cray Baker和I BM的蓝色基因ΠP计划等1目前预计千万亿次系统将在2009～2011年间集中涌现1在我国,千万亿次高性能计算机的研制也提上了议事日程1根据“十一五”高性能计算机研发计划,我国将在2008年完成2台百万亿次高性能计算机系统的研发,并适时推出千万亿次高性能计算机1高性能计算机性能的提高必将推动应用的发展1在美国,高性能计算主要用于核武器研究、国家防御、国家安全、能源与环境、生物科学、地球科学、材料科学、天文学、药物设计、物理化学、电子器件及金融领域1日本的高性能计算主要为重大的科学探索和研究服务,如地球模拟器主要用于大气与海洋模拟、固体地球模拟、多尺度模拟等1欧盟国家投资高性能计算主要鼓励生命科学、信息技术、纳米技术、天文和空间科学、食品质量和安全、可持续发展等项目1我国高性能计算以经济发展为目的,涉及气象数值模拟与预报、地震预报、生物信息、药物设计、环境科学、空间科学、材料科学、计算物理、计算化学、流体力学、地震三维成像、油藏数值模拟、天体星系模拟、金融、制造等众多领域1112 高性能计算应用促进科技创新和社会进步随着研究的深入和竞争的加剧,各领域越来越多地使用高性能计算技术来解决科研和生产中的实际问题1高性能计算应用的发展不但促进了科技创新,也促进了社会的进步1高性能计算应用发展水平逐渐成为衡量一个国家综合国力和国际竞争力的重要指标1国外的高性能计算应用已经具有相当的规模,在各个领域都有比较成熟的应用1在政府部门大量使用高性能计算机,能有效地提高政府对国民经济、社会发展的宏观监控和引导能力,包括打击走私、增强税收、进行金融监控和风险预警、环境和资源的监控和分析等1在能源领域,世界上石油公司通过高性能计算机处理石油勘探数据,为能源的发现提供支撑1在工业产品设计领域,采用先进的计算机仿真手段指导设计,大量地减少原型机试验,缩短研发周期,节约研究经费1对很多大型企业来说,采购成本是总成本的重要组成部分,福特等集团用高性能计算机构造了一个网上集市,通过网络连到它的3万多个供货商,这种网上采购不仅能降低价格,减少采购费用,还能缩短采购时间1此外,制造、后勤运输、市场调查等也都是高性能计算机大显身手的领域1高性能计算应用为我国的科技创新做出了巨大贡献1近年来,我国对大规模科学计算和高性能计算都给予了极大的重视和投入1国家“九七三”计划和“八六三”计划均有对高性能计算方面的大量投入,计算机界的许多学者也认识到应用的重要性,特别对高性能计算应用给予了高度的关注1在传统的高性能计算应用领域如国防安全、核爆模拟、石油勘探、天气预报、洋流研究等有了更大的进展1在新兴的应用领域,如生物信息、基因、纳米材料、微电子、工业产品设计和制造等方面也有了很快的发展1在信息处理,政府、金融、流通等领域纷纷用高性能计算机处理海量数据[2]1113 网格是高性能计算应用发展的新趋势世纪网络化是高性能计算应用最重要的趋势,网格()已经成为高性能计算的一个新的研究热点1用美国网格计算领导人F的话来说,1461赵 毅等:浅析高性能计算应用的需求与发展21gri doster“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术,它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体,为科技人员和普通百姓提供更多的资源、功能和交互性,让人们透明地使用计算、存储等其他资源”[3]1在网格方面美国大大领先于其他国家,美国当前对于网格研究的支持可与其70年代对Internet 研究的支持相比,10年后可望普及到国民经济和社会发展的各个领域1TeraGrid是由美国国家科学基金会发起,由9个超算中心和国家实验室针对科学研究中出现的资源共享、合作研究等问题提出的1 Tera G rid利用高性能网络,将分布在全国的高性能计算机、高端科学仪器、数据资源连接在一起,具有超过102Tflops的计算能力和15PB的存储能力1其他国际上比较知名的网格还有欧盟的E GEE、英国的e2Science和环太平洋网格应用与中间件联盟PRAGMA等1我国对网格技术的研究也给与大力支持,“十五”“八六三”计划的高性能计算专项和软件专项等重大科研项目都与网格技术有关1中国国家网格(Chi na National G rid,CN G rid)就是“八六三”计划“高性能计算机及其核心软件”重大专项支持建立的网格示范平台[4]1CN Grid一期项目有8个计算结点遍布全国六大城市,总计算能力达到16Tflops,存储能力达到200TB,已经支持科学研究、资源环境、制造业和服务业的11个行业应用,包括资源环境网格、航空制造网格、气象网格、科学数据网格、新药研发网格、森林资源与林业生态工程网格、生物信息网格、教育网格、城市交通信息服务网格、仿真应用网格和国家地质调查网格12 从超级计算中心看高性能计算应用需求与发展 面对暴雨、海啸、洪水、地震、SARS等不可预知的自然、社会挑战以及各种商业风险,世界各国均倾注大量人力、物力、财力资源推动本国高性能计算的发展,我国政府、企事业、科研单位也在积极推动高性能计算机应用的普及1中国科学院(简称中科院)非常重视高性能计算环境建设和高性能计算应用的发展,对发展我国高性能计算事业起到巨大推动作用1中科院计算机网络信息中心超级计算中心(简称超级计算中心)秉承“面向科研领域、立足服务社会、提供优质服务、推进并行事业”的方针,承担中科院高性能计算软硬件环境建设任务,推动高性能计算应用的发展,为中科院内外用户提供高性能计算服务和技术支持,在高性能计算环境建设和高性能计算应用方面取得了一定的进展1211 高性能计算环境建设“十五”期间,中科院在高性能计算环境建设方面取得显著成就,实现了跨越式发展1从几十亿次的S GI Power Challenge X L(1996年)到近百亿次的日立SR2201(1998年)和逾千亿次的国产曙光20002II(2000年),直至5万亿次的国产联想深腾6800超级计算机(2003年),计算能力大幅提高1深腾6800是超级计算中心现有最重要的计算资源,用户多,应用范围广,在科学计算应用中发挥了重要作用1至2007年6月,深腾6800有正式用户191个,平均整体使用率为90%,最高时达到9612%,系统一直处于满负荷运行状态1与高性能计算环境配套,S GI onyx350可视化系统帮助用户处理分析深腾6800上获得的海量数据,是高性能计算环境中不可缺少的重要组成部分1同时,以开发高性能计算环境的科学计算与系统应用软件,建设有自我特色的高性能计算环境为目的,通过基础并行软件平台、系统应用软件与工具平台和科学计算平台这三大平台的建设,最终建立起了一个与硬件环境相配套、较为完备而有明显自我风格、基于网格的高性能计算软件环境1212 高性能计算应用进展深腾6800的应用领域涉及气象数值模拟与预报、地震预报、生物信息、药物设计、环境科学、空间科学、材料科学、计算物理、计算化学、流体力学、地震三维成像、油藏数值牛拟、天体星系模拟等,其中70%以上的应用课题受到“八六三”、“九七三”、国家自然科学基金、百人计划、院创新等国家重点项目资助,在院内外的科学计算中发挥了重要的作用,并作为国家网格项目北方区主结点与上海超级计算中心及全国其他省市的大型计算机实现了异地互联1以高性能计算环境为基础,超级计算中心积极与院内外的多家单位合作,取得了一系列引人注目的应用成果1与中科院力学所非线性力学国家重点实验室(LNM)和中国地震局合作的应用课题“非均匀脆性介质破坏的共性特征、前兆与地震预报”,在成功预测年和5年中国大陆地震以及南亚地震方面取得了引人瞩目的成果,并且由超级计算中心帮助完成的并行化LU RR地震预报程序已经按照国2461计算机研究与发展 2007,44(10)2004200家地震局的要求移植到地震局的计算环境中,将在我国中长期地震预测预报中发挥重要作用;与中科院武汉测量与地球物理研究所合作的应用课题“地球重力场仿真系统研究”,其成果在2005年珠峰重新测高中发挥了重要作用;与中科院生态环境研究中心和中国气象科学研究院合作的应用课题“大规模科学计算在生态环境研究中应用”,其成果为北京市城市规划提供了科学依据;与中科院空间科学与应用研究中心合作的应用课题“灾害性空间天气数值预报模式的初步应用开发”,参与了“双星计划”,为中国航天事业发展做出了贡献;与中科院过程工程研究所合作的应用课题“大规模并行粒子模拟通用软件平台的开发与应用”,其成果已经在工业应用中(如宝钢)取得显著成效1213 高性能计算应用需求为满足国民经济发展的需求,高性能计算的需求正在迅速增长1尤其是在基础科学领域,对计算的需求永无止境,而且性能越高的计算机越能产生高精度高时效的成果1目前,深腾6800一直处于满负荷运行状态,折射出下一步高性能计算环境建设的更大需求和更高目标12004年开始,超级计算中心结合中科院“1+10”创新基地和重点学科的部署,重点对过程工程、空间科学、计算化学、药物设计、材料科学、地球科学、环境科学、生物信息、流体力学、高能物理等11个应用领域开展了多次“十一五”高性能计算应用需求调研,下面分别从研究方向需求、计算需求、应用软件需求和可视化需求方面对调研结果进行具体分析11)研究方向需求“十一五”期间各领域用户都对高性能计算提出了需求,例如化学工程中复杂系统的结构研究、空间环境灾害性天气变化规律的研究、有机发光材料的研究、禽流感、艾滋病等重要病毒及重要疾病的药物筛选、纳米电子器件的研究、地幔对流的数值模拟、大规模地震波的数值模拟、癌症样品相关基因的测序及突变分析等1这些项目的主要来源为国家自然科学基金、“八六三”计划、“九七三”计划及科学院项目1各领域的主要研究方向如表1所示:T a ble1 The Pr imar y Resea rc h Aspects of E a ch Appl i cat ion Field表1 各应用领域主要研究方向Application Field Research AspectProcess Engineering Chemical Engi neering,Molecular Simulation,Green Chemist ry Space Science Space W eat her,Space Enviro nm ent,Ast ronautics,C o mm unicationC omputational Chemist ry Quantum Chemist ry,Phys ical Chemistry,Mat erial,Organic Chem i s t ry,Molecular Dynam i cs, Nonadiabatic Dynam ics,Quant um Inform ationDrug Design Drug Des i gnMat erial Science Nanoelect ronics,Molecular Elect ronics,Optoel ect ronics,Surface Science,S pi nt ro nics,S canning Tunneling Microscop y,Nano Mat erialEart h Science Eart hquake Mechanics,Eart hquake Prediction,Geodesy,G eophysics,Geodynam ics,Marine Dynam i cs, Physical Oceanography,S oli d Eart h Geop hys icsEnvi ronment al Science Ocean C i rculation S i mulat ion,G lobal Environ m ental Change,Met eorology,Energy,Numerical Weat her Forecas tBioi nform atics Bioi nformatics,G ene Flow&Fluid Mechanics Flow&Flui d Mechanics High Energy Phys ics Hi gh Energy Phys ics Ot hers Parall el Hierarchical Gri d 2)计算需求计算需求调研包括用户对内存大小、存储大小和CPU机时的需求1为统一表述用户的计算需求,我们以深腾6800为参照对每个用户的计算需求换算为每年所需CPU机时数,并进一步转换为计算性能(Tflops)来表示1此外,还对用户单个大作业对高性能计算机计算能力的需求进行了调研1根据目前的数据统计,所有应用领域计算机时需求每年约为313亿U小时,换算成计算性能约为19816Tflops,用户单次计算对计算能力的最大需求为6716Tflops1目前,用户的计算需求已远远超过现在超级计算中心能提供的计算能力,很多大型应用都要求超级计算中心提供服务1因此,“十一五”期间超级计算中心至少要引进一台百万亿次(100Tflops)的高性能计算机和与之配套的大容量存储设备,进一步提升中科院高性能计算环境的水平,满足大规模与超大规模数值模拟计算的应用需求,为院2S及“+”创新基地建设服务13461赵 毅等:浅析高性能计算应用的需求与发展CP e cience110T a ble2 The Requirement List o f Computing表2 计算需求调查表Application Field Mem ory(G B)Sto rage(G B)C PU Hours(CPU H ours)Performance(Tflops) Process Engineering41762010486760002913 Space Science4352100300203366401212C omputational Chemist ry319219609098400515Drug Des ign1024100100116313607Mat erial Science906655366436802211 Eart h Science5770136390355679162114Envi ronment al Science2512160400550753603311 Bioi nform atics1360540200346875802019Flow&Fluid Mechanics75003600541440003216High Energy Phys ics51251202000000012 Ot hers1000010104100000215To tal41304105174532996093619816 3)应用软件需求科学计算方面的软件很多,超算中心在深腾6800上购置和配备了大量的应用软件1如Intel的C、Fort ran编译器、Tot alview,V TUN E调试工具、LAPAC K,MK L等各种数学函数库,还有化学计算软件G aussian03、密度泛函计算软件ADF2004及非线性动力分析有限元程序ANSYS L S2D Y NA等1“十一五”期间各领域用户除了对计算提出需求外,对计算过程中所需要的应用软件也提出了各自的需求,超级计算中心将根据用户的具体需求,挑选、购买并安装用户需求多的商用和开源应用软件1各领域具体的软件需求如表3所示:T a ble3 The Requirement List o f Sof tw ar e表3 软件需求调查表Application Field S oft ware Requirem entProcess Engineering G romacs,dlpoly,M1DynaMix,GAUSSIAN03,FL UENT613,FEPG512,PHOENICS316,CFX516,Material St udioSpace Science To tal ViewC omputational Chemist ry G aus sian,VASP,WIEN2K,CAST EP,Chemshell,Molpro,C HARMM,Jaguar,Insight II,Turbom ole, AM PAC,Gro m acs,Amber,DOC K,CPMD,AbinitDrug Des ign G romacs,Amber,Charmm,DOC K,CPMDMat erial Science VASP,CAST EP,AB INI T,Bskan,Gaussian,Transiest ac,S iesta,Bs t at e,ADF,C PMD,Gro m acs,AMB ER, Ens i ght,VMDEart h Science Matl ab,G AM IT,GM TEnvi ronment al Science p gf,G lobus,Unico re,GR A PES,mm5,matl ab,grads,ncl,vis5dBioi nform atics Blas t,Clustal w,hmm,t2c offee,3D2coffee,Dali,Modeller,PHD,Zdock,FASTA,PHIL IP Flow&Fluid Mechanics FFTWHigh Energy Phys ics Li near Algebra PAC K ageOt hers PAPI,PETS c,HYPR E,SuperL U-DISTScientific Vi sualization AVS,Tecplot,IDL,Material s St udio,VMD,Rasm ol,Opendx,p4vasp,GrADS,G M T 4)可视化需求可视化需求方面重点对计算化学、生物信息学、气象学、材料科学、地球科学、空间科学、过程工程等学科领域的个研究组的可视化需求进行了调研,其中有6个研究组提出了对超级计算中心可视化硬件、软件与服务等方面具体的需求1在可视化硬件方面,需要提供至少32个结点,每个结点配有专业图形卡(纹理内存5MB),其总内存超过8G B,总计算能力达到5Tf,同时配备大屏幕显示墙14461计算机研究与发展 2007,44(10)27 112 14lo ps在对可视化软件方面,需要AVS,Tecplot,IDL, Mat erials St udio的可视化模块等商业软件,同时也需要VMD,Rasmol,opendx,p4vasp,G rADS,GMT 等开源软件1在提供可视化服务的需求方面,主要包括:①可视化后台批处理1用户对可视化过程的交互没有要求,在可视化过程中根据给定参数生成动画或一系列图片1②远程交互式可视化1用户对可视化过程进行交互,不断地根据自己的需要更改参数,并对感兴趣的部分加以进一步处理1巨大的数据量决定了可视化处理必须借助于高性能计算机,而用户与高性能计算机的异地分离又导致必须远程使用1③远程实时可视化1这类需求特点是在计算模拟的过程中,要求以可视化的方式动态展示计算过程13 高性能计算应用发展展望高性能计算的最终目标是应用1为了更好地完成预定的大规模科学计算任务,不仅要有好的高性能计算机,还要有与之相匹配的高质量的高性能应用1但是,目前我国高性能计算机的实用效率还停留在较低的水平,应用水平低成为高性能计算的薄弱环节[5]1我国的高性能计算事业要走可持续均衡发展的道路,如何使当前的建设成果充分发挥其效益并可持续发展,改善应用水平较低的现状,是我们必须思考的问题1我国对加强高性能计算环境和超级计算中心建设一直给予高度重视和大量投入,但是高性能计算环境建设不能盲目地以追求计算机峰值为目的,而是以应用需求为向导,以应用水平为依据,针对不同应用的计算特点,引进不同体系结构的计算机系统1在高性能计算环境建设中,还需要软件和硬件建设并重,优化编程模型和并行算法,改进操作系统、编译器等系统软件,加大自主软件的开发和集成力度,使高性能计算环境真正发挥应有的作用1在高性能计算环境运行过程中,需要加强管理,对作业进行合理调度,提高系统利用率1高性能计算机的问世给科学研究及工农业生产等带来了前所未有的发展,同时对用户使用计算机也提出了更高的要求1高性能计算机规模的不断扩大、多核处理器的出现都加大了用户使用计算机的难度1针对拥有多处理器(核)的高性能计算机系统,开展操作系统多核版本的研究、多级并行编程模型、软件工具和编译器的开发、现有M I,O M 编程模型的优化,并行算法的改进等工作,对提高应用软件在多核(≥16核Π节点)、流计算(I BM Cell, GPU)等下一代计算机系统上的运行效率至关重要1并行应用的可扩展性也是百万亿次、千万亿次大规模计算机系统面临的一个很大的挑战1只有开发易于使用的高性能计算机系统,进一步优化系统配置,根据用户的使用特点实现按需定制,降低高性能计算机的使用门槛,才能提高高性能计算机的实用效率1高性能计算应用的目标往往是解决综合性、系统性的复杂问题,涉及问题抽象、模型建立、并行算法、并行编程、应用测试等多个领域1因此,加强既懂专业知识又懂计算科学的复合型人才的培养,及不同学科科技人员之间的交流与合作是当务之急1此外,需要积极拓展多种形式的国内外合作,建设各领域的应用网格系统,实现高性能计算资源的整合与共享,提高资源利用效率,为全国更多的用户提供高性能计算应用服务,推进中国网格技术与应用的发展1参 考 文 献[1]TOP500Superc o m p ut ing S it es[OL]1htt p:ΠΠwww.top500.org,2007[2]Li G enguo,G ui Yadong,Li u Xin1The briefly view on funct i o nsand status of high performance computation[J]1Com p ut erApplications and S oft ware,2006,23(9):3-4,18(i n Chi nese)(李根国,桂亚东,刘欣1浅谈高性能计算的地位及应用[J]1计算机应用与软件,2006,23(9):3-4,18)[3]Zheng Y amei1Applications and pro s pect s of grid t echnology[J]1Journal of Liaoni ng Educational Administ ration Ins t it ut e,2005,22(2):129-130(i n Chines e)(郑亚梅1网格技术的应用及展望[J]1辽宁教育行政学院学报,2005,22(2):129-130)[4]L u Zho nghua1Chi na national gri d develops succes sfull y[N]1Chi na Computer Users,2005205230(i n Chinese)(陆忠华1国家网格步入佳境[N]1中国计算机用户,2005205230)[5]Hou Xiaowen,Zhang Li nbo,Zhang Yunquan1St at e2of2artanalys i s of high performance application soft ware on do m estict era2s cale Linux cl us t er system[J]1C omputer Engineeri ng,2005,31(22):81-83(i n Chines e)(候晓吻,张林波,张云泉1万亿次机群系统高性能应用软件运行现状分析[J]1计算机工程,2005,31(22):81-83)Zha o Yi,born in19761Engineer1Her mainresearch interests:High performa nce cluster,administration and application of clustery1赵 毅,6年生,工程师,主要研究方向为高性能机群系统、机群管理与应用15461赵 毅等:浅析高性能计算应用的需求与发展P pen P s stems197。
轮机燃烧过程的数值模拟与优化分析
轮机燃烧过程的数值模拟与优化分析在现代工业领域中，轮机作为重要的动力设备，其燃烧过程的性能和效率直接影响着整个系统的运行效果和能源利用效率。
因此，对轮机燃烧过程进行深入研究，并通过数值模拟和优化分析来提高燃烧性能，具有重要的现实意义。
轮机燃烧过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到燃料的喷射、雾化、混合、燃烧以及热量传递等多个环节。
传统的实验研究方法往往需要耗费大量的时间和资源，而且难以获得燃烧过程中详细的内部信息。
而数值模拟技术的出现为轮机燃烧过程的研究提供了一种高效、经济的手段。
数值模拟的基本原理是基于流体力学、热力学、化学反应动力学等基本理论，通过建立数学模型和数值求解方法，来模拟轮机燃烧室内的流场、温度场、浓度场等物理量的分布和变化规律。
常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法等。
在轮机燃烧过程的数值模拟中，需要合理选择数学模型和计算方法，以准确地描述燃烧过程中的各种物理化学现象。
在进行轮机燃烧过程的数值模拟时，首先需要建立准确的几何模型和网格划分。
几何模型应尽可能地反映轮机燃烧室的实际结构，而网格的质量和密度则直接影响着计算的精度和效率。
通常，对于复杂的几何形状，需要采用自适应网格技术或混合网格技术来提高网格的质量和适应性。
燃料的喷射和雾化过程是轮机燃烧过程中的关键环节之一。
数值模拟中，常用的燃料喷射模型包括离散液滴模型、连续液膜模型和喷雾模型等。
这些模型可以模拟燃料的喷射速度、喷射角度、液滴粒径分布等参数对燃烧过程的影响。
同时，为了准确描述燃料的雾化过程，还需要考虑空气动力学、表面张力、粘性力等因素的作用。
燃烧化学反应模型的选择也是数值模拟中的一个重要问题。
常用的燃烧化学反应模型包括详细化学反应模型、简化化学反应模型和总包反应模型等。
详细化学反应模型能够准确地描述燃烧过程中的复杂化学反应机理，但计算量较大；简化化学反应模型和总包反应模型则在保证一定精度的前提下，大大提高了计算效率。
物理化学领域研究
物理化学领域研究物理化学是一门探究物质宏观和微观性质，以及其中规律的学科。
它是化学、物理学和数学的有机结合，旨在揭示物质在微观尺度下的行为，以及基本的能量、动力学和热力学原理。
在这个领域中有许多研究方向，比如团簇化学、材料科学、表面科学、高分子化学、化学动力学和量子化学等。
团簇化学是物理化学研究的一个重要方向，它研究的是由几个原子或分子组成的“团簇”（cluster）的性质。
这种团簇能够表现出一些有趣的性质和行为，比如独特的光学、电子和化学特性。
由于其性质与组成它们的原子的电子结构有关，因此团簇化学也为我们提供了了解和探索原子结构的一种方法。
例如，团簇研究有助于深入了解化学反应机理，研究纳米技术、材料科学和催化剂等方面也是十分重要的。
材料科学是物理化学研究的另一个重点领域。
它意在探究和优化新材料以满足各种应用，比如开发更强、更轻、更廉价的材料，进一步提升材料对温度和压力的适应能力等。
这些材料的性质通常与它们的微观结构有关，因此设计和优化材料通常需要综合应用热力学、动力学、固体物理学和化学等学科知识。
材料科学领域的研究项目有很多，比如制备新型晶体、合成高性能陶瓷材料、研究薄膜特性等，这些项目都是理解和优化材料性质的关键步骤。
表面科学是另一个非常重要的领域，它研究的是固体表面和交界面上的物理和化学响应。
在表面化学中，我们研究固体表面与气体或液体界面上的相互作用，如表面化学反应、化学吸附、光电效应等。
表面科学研究可以应用于很多领域，比如材料和环境科学中的腐蚀问题、燃气发动机的燃烧过程、化学反应动力学等等。
高分子化学则研究的是由单体聚合而成的高分子材料。
这种材料通常具有独特的物理性能，如弹性、韧性、透明性以及良好的热稳定性等。
高分子化学领域的研究项目包括聚合过程的机理、聚合反应的机械能、高分子的结构、热稳定性、溶解性等。
这些研究对于合成高分子材料和调控这些材料的性能有着重要的作用，使这些材料能够在各种应用领域中发挥作用。
国家高性能计算应用服务环境关键技术及应用
拟申报奖种：进步奖1.项目名称：国家高性能计算应用服务环境关键技术及应用2.完成单位：北京航空航天大学、中国科学院计算机网络信息中心、上海超级计算中心、无锡江南计算技术研究所、中国科学院计算技术研究所、清华大学、中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院、中国科学院上海药物研究所、国家超级计算天津中心、西安交通大学3.项目简介：高性能计算是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全方面一系列重大挑战性问题的重要手段，高性能计算应用服务环境遵循开放标准、聚集网络上广泛分布的各类资源，以服务的方式支撑大规模计算和数据处理等应用，是支撑各类应用的新型国家信息基础设施。
国家高性能计算应用服务环境的计算资源立足于国产高性能计算机，依托自主开发的中国国家网格软件CNGrid Suite，实现了分布在全国各地14个结点的计算资源、存储资源、软件和应用资源的整合，资源能力和服务水平得到了很大提高，环境总计算能力超过每秒3000万亿次浮点运算，居世界同类计算环境资源能力的前列。
国家高性能计算服务环境部署了450多个应用软件和工具软件，支持了1100多项国家各类科技计划和重要工程项目的研究工作，用户覆盖了气候气象、油气勘探、航空航天、物理化学、材料科学、生命科学、药物设计、动漫渲染、市政工程、钢铁工业、汽车制造、机电装备、核电设备等众多领域，已经成为我国科学研究、技术创新、工程设计中不可或缺的新型信息基础设施。
项目研发的中国国家网格服务软件CNGrid Suite是国家高性能计算应用服务环境的核心支撑系统，包含网格服务软件内核系统CNGrid GOS、高性能计算网关HPCG、网格应用社区支撑软件Xfinity、网络数据虚拟存储与共享软件Corsair、系统监控软件CNGridEyes、网格工作流软件、系统安全软件等，在世界同类软件系统中有重要地位。
项目基于国家高性能计算应用服务环境，构建了面向领域应用的网格应用社区。
物理化学中的分子模拟方法
物理化学中的分子模拟方法物理化学是研究物质在分子和原子层次上的规律的一门学科，而分子模拟是物理化学中的一个重要分支，是一种通过计算机模拟分子运动和相互作用来研究物质性质的方法。
在分子模拟领域，我们可以使用许多不同的方法来模拟分子的结构和行为。
本文将介绍一些常用的分子模拟方法，并解释它们的套路以及优缺点。
分子力学模拟分子力学模拟是物理化学中最常用的模拟方法之一，其目的是利用牛顿力学原理模拟分子在外力的作用下的运动轨迹来研究分子的结构和性质。
分子力学模拟的过程中，实际上就是在计算分子中原子之间的相互作用，以及这些相互作用在整个分子的作用下带来的效应。
这个计算量非常大，一般需要使用高性能计算机集群，所以分子力学模拟需要有相应的软件和计算资源才能进行。
分子力学模拟中一个重要的步骤是选择合适的力场。
力场是一个由数学公式描述的模型，用来计算原子之间的相互作用。
不同的力场适用于不同的实验系统，所以在选择力场时需要考虑实验系统的特点。
通常我们可以根据不同的力场参数来模拟温度、粘度、密度等物理性质。
分子力学模拟最常见的一种分子力场是AMBER和CHARMM。
量子化学计算分子力学模拟无法完全模拟分子的行为，尤其是对于一些精确的数字计算，会出现相对偏差较大的情况。
这时候，我们需要使用量子化学方法来模拟分子。
量子化学计算是利用波函数理论对分子能量、键长和角度等性质进行计算和预测的方法。
量子化学模拟的难点在于计算量很大，需要使用高性能计算机集群，且需要专业知识较为深入的化学工作者才可以进行。
量子化学计算最常用的一种方法是密度泛函理论（DFT），它是基于波函数理论的框架，克服了传统量子化学方法的一些缺点，同时又可以进行高效的计算。
在DFT中，分子结构是通过从分子内所有电子的密度来构建的。
这样就可以非常准确地预测分子的一些气态性质，如自由能、特定热容、振动频率等。
另一种常见的量子化学计算方法是处理核方程（Schrödinger方程），这种方法需要用到Schrödinger方程的求解器，不仅可以计算分子的能量、密度、波函数等，还可以预测分子在热力学条件下的稳定性和反应性。
高性能计算发展现状分析
高性能计算发展现状分析目录1.1 高性能计算的发展现状 (3)1.1.1 高性能计算概述 (3)1.1.2 高性能计算的应用需求 (3)1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4)1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5)1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7)1.1高性能计算的发展现状1.1.1高性能计算概述高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。
自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。
随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。
1.1.2高性能计算的应用需求应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。
传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。
随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。
当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。
比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国家经济、社会和环境可持续性发展的重要途径，基础科学研究的投入也将持续增长。
聚羧酸系高性能减水剂的作用机理及分子结构
混凝土减水剂的减水机理是个颇为复杂的问题。
关于高性能减水剂的作用机理,已有很多学者研究,但作为指导生产和实践的有关理论,仍然存在着不同的解释,自然不利于减水剂的实践和开发工作,因此,客观地需要一套系统的科学理论,对减水剂减水机理进行理性的解释,这些理论无疑会涉及到官能团、结构、表面物理化学性质等方面的知识。
笔者根据自己在混凝土减水剂的应用及其相关理论的研究和认识,进行了初步的归纳整理,将表面化学和混凝土减水剂的作用有机地联系起来，希望对读者有所帮助。
减水剂的减水机理主要可归纳为在固—液界面上的吸附—分散作用和润湿、润滑作用。
2.1吸附—分散作用水泥浆体体系的不稳定性在于它们有大的相界面和界面能，因而有自动减小界面、粒子相互聚结的趋势；另一方面，因分散相的粒子小，布朗运动虽然可以使粒子难以下沉，但一旦碰撞将使它们加速聚集。
作为亲液型粒子的水泥粒子表面覆盖有溶剂化层，可以有效防止粒子的聚集，同时大部分粒子表面也带有电荷，粒子之间也存在着电性斥力，从而使得粒子难以聚集。
当部分粒子表面的溶剂化层消失后，由于颗粒之间分子引力的作用就会形成聚羧酸系高性能减水剂的作用机理及分子结构The mechanism and molecular structure of PCA water-reducing agent马振珠岳汉威（中国建筑材料检验认证中心,北京100024）摘要：介绍了聚羧酸系高性能减水剂在水泥颗粒表面的吸附—分散作用和润湿、润滑等特性，从而进一步研究了这些性质与其减水性能之间的关系。
从分子构型及表面化学的角度对其减水性能进行了物理和化学方面的分析。
对其分子结构做了初步的探讨，旨在进一步理解它的作用机理。
关键词：聚羧酸高性能减水剂；分子构型；表面化学Abstract:Introduced the characteristics,which belonged to PCA,of adsorption-dispersion and wetting-lubricationin the cement surface in order to go on researching the relationship between it’s nature and performance.Analysed thePerformance of reducing-water by molecular structure and surface chemistry with physics and chemistry.Explored themolecular structure preliminary aimed to understand its mechanism.Key words:PCA;molecular structure;surface chemistry中图分类号：TU528.042.2文献标识码：B文章编号：1003-8965（2009）02-0017-03水泥与混凝土17絮凝状结构，使得不少拌合水被包裹在其中。
《金属掺杂二维材料电催化CO2RR,HER,OER性能与机理的理论研究》范文
《金属掺杂二维材料电催化CO2RR，HER，OER性能与机理的理论研究》篇一金属掺杂二维材料电催化CO2RR、HER、OER性能与机理的理论研究摘要：本文采用理论计算方法，研究了金属掺杂二维材料在电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）、氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）中的性能与机理。
通过构建不同金属掺杂的二维材料模型，分析其电子结构、能带关系及反应过程中的电荷转移情况，揭示了金属掺杂对电催化性能的影响规律及内在机制。
一、引言随着环境问题的日益严重，电催化技术因其高效、环保的特性在能源转换和存储领域受到广泛关注。
其中，二氧化碳还原反应（CO2RR）、氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）是电催化领域的重要研究方向。
近年来，金属掺杂二维材料因其独特的物理化学性质，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在通过理论研究，探讨金属掺杂对二维材料在上述三种反应中的性能与机理的影响。
二、方法与模型本研究采用密度泛函理论（DFT）方法，构建了不同金属掺杂的二维材料模型。
通过计算材料的电子结构、能带关系以及反应过程中的电荷转移情况，分析其电催化性能。
同时，结合反应动力学理论，探讨了反应机理及速率控制步骤。
三、结果与讨论1. 金属掺杂对CO2RR性能的影响金属掺杂能够显著改善二维材料对CO2的吸附能力，从而促进CO2RR的反应速率。
通过计算不同金属掺杂后的电子密度分布及电荷转移情况，发现金属与CO2之间的相互作用增强了电子的流动性，有利于反应中间产物的形成和转化。
此外，金属的引入还可能改变材料的能带结构，提高材料的导电性，进一步促进CO2RR的反应效率。
2. 金属掺杂对HER性能的影响金属掺杂可以降低二维材料对氢气的析出电位，从而提高HER的反应速率。
计算结果表明，金属掺杂后，材料的d带中心位置发生改变，有利于氢原子的吸附和脱附过程。
此外，金属与氢原子之间的相互作用也能促进电荷的转移，进一步加速HER的反应过程。
计算机模拟在物理化学领域的应用
计算机模拟在物理化学领域的应用随着计算机技术的不断发展，计算机模拟在物理化学领域得到越来越广泛的应用。
计算机模拟指的是借助计算机技术仿真真实世界的物理化学现象，以模拟和预测系统的结构、性质和响应的过程。
计算机模拟在物理化学研究中的应用，不仅使我们更好地理解物理化学现象的本质，还可以为物理化学实验提供可靠的理论指导。
本文将从分子动力学模拟、量子化学模拟和流体力学模拟三个方面，介绍计算机模拟在物理化学领域的应用。
一. 分子动力学模拟分子动力学模拟指的是通过计算机模拟，研究分子之间的相互作用、分子结构和分子运动规律等问题。
分子动力学模拟方法可以模拟分子在一定热力学条件下的运动和构象变化等问题，以及分子与溶剂、表面和其他分子之间相互作用的过程。
分子动力学模拟方法可以探索分子内部和分子之间作用力的作用规律，进而探究分子的物理化学性质，例如分子的热力学性质和反应动力学性质等。
在分子动力学模拟中，需要通过一定的数学模型，给出分子内部和分子之间相互作用的公式。
对于不同的分子系统和不同的分子作用力，需要进行不同的热力学状态下的分子动力学模拟。
通过大量的计算，可以得到分子的位置、速度、加速度等物理量变化的时间演化规律。
分子动力学模拟已经广泛应用于研究化学反应、材料结构和性质、生物分子结构和功能等领域。
同时，分子动力学模拟技术也被应用于设计新的材料、药物和催化剂等。
二. 量子化学模拟量子化学模拟指的是借助量子化学原理和计算机技术，研究分子、反应和化学反应的基本规律和机理。
量子化学模拟可以解释许多实验现象，例如分子性质、结构、反应活性、导电性等。
通过量子化学模拟，可以解释与其它科学分支交叉的环保、能源、医药、化学工业等具有重要意义的科学问题。
量子化学模拟技术可以预测分子、化合物的结构和性质，以及与之相关的各种物理化学性质，如光谱、电子结构、几何构型等。
这种模拟方法也需要使用多种数学方法和物理化学模型，其中最著名的是哈特里-福克方法（Hartree-Fock）。
物理化学中的分子动力学
物理化学中的分子动力学在物理化学领域中，分子动力学是一种重要的研究方法，用于揭示分子之间的相互作用和运动规律。
通过模拟和计算分子的运动轨迹，我们可以深入了解物质的性质和行为，为材料科学、生物化学等领域的研究提供有力支持。
一、分子动力学的基本原理分子动力学是基于牛顿力学的一种计算方法，通过求解分子的运动方程，模拟分子在给定条件下的运动轨迹。
其基本原理可以概括为以下几点：1. 分子的力场：分子之间的相互作用力可以通过势能函数来描述，例如分子间的库仑相互作用、范德华力等。
这些力场可以通过实验数据或理论计算得到。
2. 分子的运动方程：根据牛顿第二定律，分子的运动可以由其受到的力和质量决定。
分子动力学模拟通过求解运动方程，得到分子在不同时间点的位置和速度。
3. 时间步长和积分算法：为了模拟分子的运动，需要将时间离散化，即将连续的时间分割为离散的时间步长。
通常使用的积分算法有欧拉法、Verlet算法等，通过迭代计算得到分子在每个时间步长的位置和速度。
二、分子动力学的应用分子动力学在物理化学领域有广泛的应用，以下是几个典型的例子：1. 材料科学：分子动力学可以用于研究材料的力学性质、热传导性能等。
通过模拟材料中原子的运动，可以预测材料的力学响应和热稳定性，为新材料的设计和优化提供指导。
2. 生物化学：分子动力学可以用于研究生物分子的结构和功能。
通过模拟蛋白质、核酸等生物分子的运动，可以揭示其在生物体内的作用机制，为药物设计和疾病治疗提供理论依据。
3. 化学反应：分子动力学可以用于研究化学反应的动力学过程。
通过模拟反应物的运动和相互作用，可以得到反应速率常数、能垒等关键参数，为理解和控制化学反应提供重要信息。
三、分子动力学的挑战和发展尽管分子动力学在物理化学领域有广泛应用，但仍然面临一些挑战和限制。
其中一些包括：1. 计算资源：分子动力学模拟需要大量的计算资源，特别是对于大规模系统和长时间尺度的模拟。
因此，提高计算效率和开发高性能计算方法是当前的研究方向。
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物理化学领域高性能计算项目案例分析目录1.1 物理化学领域典型案例 (3)1.1.1 北京应用物理与计算数学研究所 (3)1.1.2 中国科学院物理研究所 (4)1.1.3 中国科学院生态环境研究中心 (5)1.1.4 中国科学院理论物理研究所 (6)1.1.5 中国科学院等离子体物理研究所 (7)1.1.6 中国科学院地质与地球物理研究所 (8)1.1.7 中国科学院金属研究所 (9)1.1.8 中南大学高性能计算中心 (10)1.1.9 复旦大学高性能计算平台 (11)1.1.10 吉林大学理论化学计算国家重点实验室 (12)1.1.11 北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室 (13)1.1.12 清华大学清华大学摩擦学国家重点实验室 (14)1.1.13 西安交通大学材料学院、前沿学院 (15)1.1.14 南京航空航天大学纳米科学研究所 (16)1.1.15 郑州大学物理学院 (17)1.1.16 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 (18)1.1.17 厦门大学化工学院能源材料化学协同创新中心 (19)1.2 物理化学领域成功案例列表 (20)1.1物理化学领域典型案例1.1.1北京应用物理与计算数学研究所北京应用物理与计算数学研究所创建于1958年，是一个以承担国家重大科研任务为主，同时开展基础和应用理论研究的多学科研究机构。
建所至今，取得了大批研究成果，涌现出一大批有突出贡献的专家学者。
研究所的主要研究领域有：理论物理、粒子物理与原子核物理、等离子体物理、激光物理、流体力学、应用数学、计算数学、计算机应用、军备控制科学技术。
北京应用物理与计算数学研究所相关研究工作都离不开高性能计算机作为基础工具，对高性能计算资源有巨大需求，应用软件中有常用的计算物理、计算材料类软件，也有用户自开发的大规模并行软件，这些应用对高性能计算平台的计算能力、网络性能、存储性能都有极高的要求。
2009年，为北京应用物理与计算数学研究所建设的高性能计算平台作为所内及所外合作研究的公共计算平台、服务于全所科研任务。
全系统共计420台刀片节点、计算峰值达到40.32万亿次/秒，在2009年中国高性能计算机性能TOP 100中排名第8；存储系统采用分布式并行存储架构，配置78 TB全局共享存储，提供了充足的I/O带宽；计算网络采用线速互联的InfiniBand网络，用于保障并行计算软件的并行效率。
另外，用户熟悉使用多年的原有作业调度系统，为此专门针对作业调度系统进行了封装和定制开发，既给用户提供了熟悉的使用环境，又提高了整个系统的资源调度效率。
北京应用物理与计算数学研究所高性能计算平台使用至今，运行状态良好，资源利用率常年达到70% 以上，已经支撑了众多科研项目，发挥了极为重要的作用。
系统运行开始，提供了深入的系统软硬件调试和优化，完善的售后服务体系也保障了系统的良性运维。
1.1.2中国科学院物理研究所中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室是由国家计委批准并资助建设的第一批国家重点实验室之一，于1987年建成并向国内外开放。
实验室的研究方向是通过实验与理论的密切结合，开展与信息科学、纳米科学和能源科学的应用有直接联系的表面/界面研究。
这包括凝聚态物质表面的原子/电子/声子结构，表面吸附与相变过程，低维纳米结构/功能薄膜/半导体量子阱/超晶格/太阳能材料的生长、器件制备、生长机理和动力学过程，纳米材料和复合薄膜材料的界面形成与晶界变化，低维纳米结构的量子效应及对其物理和化学性质的影响等。
随着新材料的不断出现、材料结构的尺度和维度向着更小的方向发展，表面物理研究的重要性变得日益突出，已经成为一个交叉学科的新的生长点。
2010为物理所建设的高性能计算平台计算峰值达到每秒5.632万亿次，取代IBM系统成为表面物理国家重点实验室的公用计算平台，该平台主要运行计算物理和材料计算软件，支撑物理所表面物理国家重点实验室的科研系统，满足表面材料结构和性能分析、材料设计等科研任务的需求。
为物理所计算平台搭建了完备的软件开发和运行环境，包括编译器、数学库、并行开发库、专业函数库等，并协助用户进行了软件优化和应用二次开发。
高性能计算平台投入运行以来，计算资源利用充分，已经协助表面物理国家重点实验室取得了一系列重要科研成果。
同时，高性能计算平台也为所内外的其他科研机构提供计算资源，起到了较大的辐射作用。
2014年，物理所又采购了一套公司的TC5600-H整机柜服务器，所提供的CPU双精度浮点运算能力达到61.82万亿次每秒，同时配置一套Parastor200作为集群的并行文件存储系统。
该集群现已投入运行，为物理所的科研工作继续提供充足的科学计算能力。
1.1.3中国科学院生态环境研究中心中国科学院生态环境研究中心始建于1975年，主要研究领域包括环境化学、环境工程学、环境生物学和系统生态学。
研究内容涉及到环境化学、环境工程、生态学、生物学、地学等学科的互相渗透；可发挥综合性、多学科优势，研究地区性、全国性以及全球性的重大生态与环境问题。
中心在环境化学的若干分支领域的应用基础研究中作出了原始性的成果。
在环境工程方面可以解决若干有重大影响的实际环境问题和拥有一批有竞争能力的环境保护高新技术。
在系统生态学方面开创了非传统生态学的新理论和新方法学，并实现与高新技术的结合。
作为中科院生态环境研究中心战略性的科研服务设施，在2010年为生态环境中心搭建的高性能计算集群主要是为环境化学、环境工程学和系统生态学等研究领域提供高性能计算服务，形成具有自身特色、规模适度、水平较高、性能优异的科学计算环境，实现了高速网络环境下多种计算资源的有效整合与充分共享。
生态环境研究中心集群的计算类型按照应用领域划分主要有三类，其中高精度量子化学计算约占30%，分子动力学计算约占50%，此外还有分子对接、高通量药物筛选、定量构效分析约占20%。
在系统方案设计上充分考虑了跨领域综合应用的特点，为量化计算、生命科学计算等多种应用配置了均衡且差异化的软硬件环境，取得了理想效果，系统资源得到了充分利用。
1.1.4中国科学院理论物理研究所中国科学院理论物理研究所成立于1978年，由两弹一星元勋彭桓武先生担任首届所长。
理论物理研究所有研究人员36人，全部是高级研究人员，其中8位中国科学院院士，并有第三世界科学院院士4人；科学院“百人工程计划”入选者9人；国家杰出青年基金获得者7人。
2011年底，理论物理所投入建设高性能计算中心，用于理论物理及相关交叉科学的研究。
该系统采用“星云”系列高性能计算机，于2012年2月正式投入使用。
2012年底又进行了二期扩容。
系统计算性能达到40万亿次每秒，全系统采用40Gb InfiniBand线速互联，配备ParaStor200分布式并行存储系统。
2013年3月，理论物理所进行三期GPU计算节点扩容，系统新增计算性能103.2万亿次每秒，三期GPU系统也进入了2013年中国高性能计算机性能TOP100排行榜。
2014年7月，理论又物理所进行四期GPU计算节点扩容，系统新增计算性能163.8万亿次每秒，同时对ParaStor200分布式并行存储系统进行了容量的在线扩容。
该计算平台自投入使用以来，用户数量和资源利用率逐渐增加，支撑了所内多个研究组的科研工作，支撑的科研方向覆盖了粒子物理、凝聚态物理、量子场论、材料科学、生物信息学、天文学等多个理论物理或相关交叉学科，成为了理论物理所的公共科研基础设施，为所内科研人员提供了强大的高性能计算资源，为理论物理所科研工作做出了重要贡献。
中国科学院等离子体物理研究所成立于1978年9月，主要从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术及相关高技术研究和开发，以解决人类未来战略新能源——受控热核聚变能为目标，是我国热核聚变研究的重要基地。
中科院等离子体物理研究所高性能计算集群最初创建于2008年9月，并于2011年7月成功升级为神马(Shen Ma Cluster)。
总共拥有464颗计算核心，存储6.4T。
采用TC2600计算刀片，计算理论峰值为4.08TFlops。
2012年12月，神马集群成功扩增了神马2。
神马2总计976颗计算核心，实测计算峰值超过18万亿次，双精度浮点效率超过90%。
该集群采用TC4600高密度计算刀片，并配置ParaStor100并行存储系统，配置万兆汇聚的监控管理网络和线速56Gb/s Infiniband FDR 高速计算网络。
神马2集群在关键功能节点和存储IO节点上采用双机高可用配置，提升了计算集群的稳定性和持续为用户提供计算资源的能力，避免了单节点故障造成的服务中断，并方便后期管理和升级。
2014年9月，等离子体所再次对神马2扩容至神马3，项目采购一套TC4600E刀片计算系统。
新增的神马3共计1512颗计算核心，提供的CPU双精度浮点计算能力达到60.48万亿次每秒，同时配备了Lustre并行文件系统。
该计算平台自建成并投入使用以来，多次升级扩容，用户数量和资源需求不断增加，支撑了所内多个研究室的科研工作，其科研方向覆盖了高温等离子体物理与核聚变工程，离子束生物工程学，等子体物理应用，太阳能材料与工程等，为所内科研人员和科研项目提供了持续稳定的数值计算平台，促进了热核聚变等先进技术的研究和应用转化。
中国科学院地质与地球物理研究所1999年6月由原中国科学院地质研究所和中国科学院地球物理研究所两所整合而成。
2004年将中国科学院武汉数学物理研究所的电离层研究室整体调整到所。
研究所主要从事固体地球科学研究与教育，以固体地球各圈层相互作用及其资源、环境、工程地质问题作为主攻方向。
共设有地球深部结构与过程、岩石圈演化、工程地质与水资源、油气资源、固体矿产资源、新生代地质与环境、地磁与空间物理等7个研究室和特提斯研究中心。
其中地球深部结构与过程研究室以地幔和地核作为主要研究对象，通过地震学、地磁学、比较行星学、计算机模拟和高温高压实验等多学科手段，研究地球深部的物质组成、精细结构和动力学机制，认识地球深部过程对地球浅部活动的制约，努力为固体地球科学理论及人类社会可持续发展做出创新性贡献。
研究室构成了中国科学院地球深部研究重点实验室的核心力量，通过引进和自主研制相结合，构建了地震台阵探测、纳米离子探针、古地磁、稀有气体质谱和计算模拟等一流的地球深部研究平台。
为中国科学院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室搭建的高性能计算平台主要用于地球内部物质物理化学性质的多尺度分子模拟和热力学模拟。
计算平台一期和二期分别于2010和2011年建成，分别采用80片TC2600和70片TC3600刀片节点。
2012年扩容的三期系统由98片TC4600刀片组成，配置FDR InfiniBand高速网络，系统理论峰值32.6TFLOPS，保障计算模拟应用的高效运行。