云计算与高能物理应用
大学计算机基础 项目二 了解计算机新技术
数据抽取与集成。 数据分析。 数据解释和展现。
图2-1 大数据处理的基本流程
在物联网应用中，主要涉及传感器技术、RFID标签和嵌入式 系统技术3项关键技术。传感器技术是计算机应用中的关键技术， 通过传感器可以把模拟信号转换成数字信号供计算机处理；RFID 标签也是一种传感器技术，它同时融合了无线射频技术和嵌入式技 术，在自动识别、物品物流管理方面的应用前景十分广阔；嵌入式 系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电 子应用技术为一体的复杂技术，该技术不断推动工业生产和国防工 业的发展，小到日常使用的MP3，大到航空航天的卫星系统等都是 以嵌入式系统为特征的智能终端。
任务二 认识大数据
（一）大数据的概念
数据是指存储在某种介质上包含信息的物理符号，进入电子 时代后，人们生产数据的能力和数量得到飞速的提升，而这些数 据的增加促使了大数据的产生。
大数据是指无法在一定时间范围内用常规软件工具（IT技术 和软硬件工具）进行捕捉、管理、处理的数据集合，对大数据进 行分析不仅需要采用集群的方法获取强大的数据分析能力，还需 研究面向大数据的新数据分析算法。
针对大数据进行分析的大数据技术，是指为了传送、存储、 分析和应用大数据而采用的软件和硬件技术，也可将其看作面向 数据的高性能计算系统。
从技术层面来看，大数据与云计算的关系密不可分，大数据 必须采用分布式架构对海量数据进行分布式数据挖掘，这使它必 须依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技 术。
浅析物联网在科学研究中的应用
浅析物联网在科学研究中的应用【摘要】物联网作为新兴技术，在科学研究中的应用日益广泛。
本文首先介绍了物联网的发展背景和在科学研究中的重要性。
随后分析了物联网在生物科学、地质科学、天文科学、环境科学和物理科学研究中的具体应用，指出了其在数据采集、实时监测和远程操作等方面的优势。
最后总结指出，物联网为科学研究带来了新的可能性，具有广阔的发展前景。
通过对各个领域的案例分析，展示了物联网在推动科学研究中的应用和发展，为未来科学研究提供了新的思路和方法。
【关键词】关键词：物联网、科学研究、生物科学、地质科学、天文科学、环境科学、物理科学、可能性、前景。
1. 引言1.1 物联网的发展背景物联网的概念最早可以追溯到1999年，当时麻省理工学院的凯文·阿什顿（Kevin Ashton）提出了“物联网”的概念。
随着各种传感器、智能设备和互联网技术的不断发展，物联网逐渐成为人们关注的热点领域。
物联网不仅可以连接智能手机、家电等消费类产品，还可以连接各种科学研究中所需要的仪器设备和监测工具，为科学研究提供了新的可能性和机遇。
随着技术的不断进步和应用范围的扩大，物联网在科学研究中的重要性日益凸显。
1.2 物联网在科学研究中的重要性物联网在科学研究中扮演着至关重要的角色。
通过物联网技术，研究人员能够实时监测和收集大量数据，从而深入了解复杂的科学现象。
这种实时监测和数据收集的能力，为科学研究提供了全新的可能性和途径。
物联网技术在科学研究中的应用，不仅可以提高数据采集的效率和精确度，还可以拓展研究范围和深度。
通过不断地获取和分析数据，研究人员可以发现新的规律和趋势，推动科学研究的发展。
物联网在科学研究中的重要性不可忽视，它为科学家们提供了更多的工具和方法去解决复杂的科学难题，推动科学知识的不断进步。
在当今数字化和信息化的时代，物联网技术已经成为科学研究的重要支柱，为各个领域的研究带来了全新的可能性和前景。
2. 正文2.1 物联网在生物科学研究中的应用在生物科学研究领域，物联网技术的应用已经展现出许多重要价值。
生活中云计算的应用案例
生活中云计算的应用案例有很多，以下是一些常见的例子：1.电子日历：电子日历可以提醒我们要在母亲节买礼物，提醒我们什么时候去干洗店取衣服，提醒我们飞机还有多长时间起飞。
2.电子邮件：由于各种不同的原因，我们都会有几个不同的邮箱。
而常常查看这些邮箱的邮件，就变成一件很繁琐的事情，我们需要打开不同的网站，输入不同的用户名及密码。
通过托管，邮件服务提供商可以将多个不同的邮件整合在一起。
例如，谷歌的Gmail电子邮件服务，可以整合多个符合POP3标准的电子邮件，用户可以直接在Gmail的收件箱中直接收取到来自各个邮箱中的电子邮件。
3.在线办公软件：自从云计算技术出现以后，办公室的概念就模糊了。
不管是谷歌的Apps还是微软推出的SharePoint，都可以在任何一个有互联网的地方同步办公所需要的办公文件。
4.地图导航：在没有GPS的时代，每到一个地方，我们都需要购买当地的地图。
而现在，我们只需要一部手机，就可以拥有一张全世界的地图。
5.远程办公：疫情期间复工复产主要就是靠云计算技术的支持，比如云会议、云办公、屏幕分享等，用户只需通过各种联网终端进行简单的点击操作，就可以快速高效地与全国各地的团队和客户共享语音、数据文件和视频。
6.在线教育：各类学校使用在线学习平台进行授课和学习，包括直播教学、学习平台等方式，虚拟化硬件资源，用户直接登录就可以学习。
7.网络游戏：网络游戏的各种游戏和用户资源、数据等都是放在云服务器上的，能节约游戏公司的硬件成本，同时能快速的响应用户需求，提升游戏体验感。
以上就是生活中常见的云计算应用案例。
随着技术的不断进步和普及，云计算的应用范围和深度也在不断增加。
中国科学院计算机技术专业介绍
中国科学院计算机技术专业介绍计算机技术主要利用计算机理论和技术为根底，结合大科学工程技术中的实际需要，研究和解决工程在硬件/软件的设计、开发，维护等方面的工作。
中国科学院高能物理研究所正在承当的北京正负电子对撞机/北京谱仪、中国散裂中子源、羊八井宇宙线实验、大亚湾中微子实验、空间硬X射线调制望远镜，以及国际LHC合作等大型工程，预研和即将立项的还有ADS工程及北方光源等重大科学研究设施。
这些大科学设施对计算机控制、数据获取与在线数据处理、离线数据的存储与计算，以及数据模拟与处理软件都提出了新的要求和挑战。
此外，高能所依托大科学装置计算技术需要的根底上，也力图在通用的数据密集型计算技术、数据处理与分析智能化，以及网络及防护等领域开掘新的研究方向和技术。
高能所作为我国最早接入互联网的单位，很早就对网络管理及平安技术展开研究，并取得了一批高质量的研究和技术成果，经过多年的积累，在我国信息平安领域占有了一席之地，培养了一批网络平安人才队伍。
作为中国科学院根底研究的最大的研究所，也是中国高能物理研究基地，在计算机技术领域，高能所与国际上建立了非常密切的学术交流机制，与CERN、法国的In2P3-CC、CPPM及日本的KEK，美国的BNL及FERMI实验室计算中心每年均有人员交流。
本学科有如下研究方向：1. 数据存储与共享、网格技术：针对高能物理、中微子及宇宙线实验等产生的PB量级的海量数据，利用新存储技术实现廉价、高效的数据保存，包括并行文件系统，磁盘池及磁带库分级存储技术，利用先进网格、云计算等技术实现数据管理与共享。
2. 计算环境及软件、网格计算：利用高能物理、宇宙线物理产生的数据特点，开发高效能的数据处理环境，利用网格技术实现分散异地的计算资源整合、开发诸如MapReduce的新型云计算技术、志愿计算等。
利用GPU等加速部件处理诸如图像处理及分波分析等数据密集型计算，以及高能物理MonteCarlo模拟、数据处理和分析软件。
高能物理数据处理与高性能计算应用
22
QCD在太湖之光上的移植
• 单主核单核组多核组（MPI）
• 主要代码框架
• 从核的Dslash操作
请关注10月19日分会报告： 基于申威众核处理器的格点量子色动力学并行加速计算方法
• 从核的若干Krylov子空间求解算法
前沿应用 （QCD、BES…）
科研用户 （中科院、北大…）
格点QCD
物理模拟 公共库与工具
分波分析
超级计算环境
17
格点QCD概览
• 描述强相互作用的正确理论是量子色动力学(QCD)
• 格点QCD是从第一原理出发研究
• QCD非微扰性质的方法
• 格点QCD 数值模拟计算是耗费计
算资源最多的科研领域之一
版本 单主核
MPI
时间（s） 57.73 2.27
加速比 25.43
目前的从核优化策略取得了良好
的效果，从核优化版本相较单主 核版本的加速比达到了165倍
在从核优化的基础上，将程序扩 展到16个核组上，相应的单主核 版本程序的数据量也增大16倍。 运行时间有所提升，加速比达
25.43
24
主要工作贡献
• 通过分析LQCD的应用特征及数值特征，首次在神威平台上实现了成功移
植及运行
• 通过使用向量化、指令流水线、寄存器通讯机制等手段在申威26010处
理器上实现了异构众核并行，并实现了不错的加速比
• 在实现从核阵列并行化的基础上，进一步使用MPI实现了多核组连并运
行，以此实现了一定的并行规模 • 下一步将使用stencil技术，增大数据量，进一步发掘LDM与寄存器通讯
云计算应用若干典型案例
云计算应用若干典型案例随着科技的不断发展和云计算技术的成熟，越来越多的企业和个人开始关注和应用云计算技术。
云计算的出现给我们的生活带来了便利和创新，下面将介绍几个云计算应用的典型案例。
一、商业购物随着电子商务的兴起，越来越多的商家开始将自己的业务扩展到云计算平台上。
云计算平台提供的弹性计算资源以及高效的数据存储和处理能力，帮助商家快速搭建和运营自己的电子商务平台。
例如，亚马逊的云计算平台AWS（Amazon Web Services）为众多电商提供了稳定可靠的云计算服务，帮助他们实现高并发的用户访问和订单处理。
二、在线教育云计算技术为在线教育提供了强大的支持。
通过云计算平台，教育机构可以将教学资源和课程内容存储在云端，学生可以随时随地在线学习。
同时，云计算还可以提供虚拟化的实验环境和互动平台，促进学生参与到实践和讨论中。
例如，著名的在线教育平台Coursera就是运用了云计算技术，实现了全球范围内的在线教育。
三、医疗保健云计算技术为医疗保健行业带来了巨大的变革。
医疗机构可以将患者的电子病历和医学影像存储在云端，医生可以通过云计算平台远程访问和共享这些数据，方便了医生之间的协作和诊断。
此外，云计算还可以为患者提供云健康管理服务，例如通过智能设备记录患者的健康数据，并将数据上传到云端进行分析和预测，提供个性化的医疗建议。
四、智能城市云计算技术也广泛应用于智能城市建设。
通过将城市的各种传感器和设备连接到云计算平台上，实现大数据的收集和分析，从而优化城市的资源利用和服务效率。
云计算可以帮助城市管理者更好地监控交通、水资源、能源消耗等情况，并提供相应的决策支持。
例如，新加坡建设的智慧国家项目就运用了云计算和大数据技术，提升了城市的管理和服务水平。
五、科学研究云计算技术在科学研究领域也发挥着重要作用。
科研人员可以将海量的实验数据存储在云端，并通过云计算平台进行高性能的计算和模拟，加速科学发现的进程。
云计算还为科学家们提供了协作平台，方便他们进行远程合作和共享研究成果。
大学计算机基础(Office2016)第2版 第11章 计算机新技术及应用
计算机新技术及应用
11.2.1 大数据的定义
大数据是指无法在一定时间范围内用常规 软件工具（IT技术和软硬件工具）进行捕捉、 管理、处理的数据集合，对大数据进行分析不 仅需要采用集群的方法获取强大的数据分析能 力，还需研究面向大数据的新数据分析算法。
大学计算机基础（Windows 10+Office 2016）（第2版）
第11章
计算机新技术及应用
11.3.3 人工智能的发展
1956年夏季，以麦卡赛、明斯基、罗切斯特和申农等为首的一批年轻科学家一起聚 会，共同研究和探讨用机器模拟智能的一系列有关问题，并首次提出了“人工智能” 这一术语，它标志着“人工智能”这门新兴学科的正式诞生。
第11章
计算机新技术及应用
11.2.2 大数据的发展
在大数据行业火热的发展下， 大数据几乎涉及到所有行业的发展， 国家相继出台的一系列政策更是加 快了大数据产业的落地。
大学计算机基础（Windows 10+Office 2016）（第2版）
第11章
计算机新技术及应用
11.2.3 大数据的主要结构与运用
云安全是云计算技术的重要分支，在反病毒领域获得了广泛应用。云安全技术可 以通过网状的大量客户端对网络中软件的异常行为进行监测，获取互联网中木马和恶 意程序的最新信息，自动分析和处理信息，并将解决方案发送到每一个客户端。
“云安全”系统的建立并非轻而易举，要想保证系统的正常运行，不仅需要海量 的客户端、专业的反病毒技术和经验、大量的资金和技术投入，还必须提供开放的系 统，让大量合作伙伴加入。
第11章
计算机新技术及应用
11.1.1 云计算的定义
云计算模式如同单台发电模式向集中供电模式的转变，它将计算任务分布在由大 量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算力、存储空间和信息服务。与传 统的资源提供方向相比，云计算主要具有以下特点。
网络计算的四种形式
网络计算的四种形式网络计算是指通过计算机网络进行信息交流和数据处理的一种计算方式。
它借助网络传输技术，将数据、计算资源和应用程序等分布式地连接起来，实现协同工作和资源共享。
网络计算具有高效、便捷、灵活等特点，已经在各个领域得到广泛应用。
根据其运行方式和计算资源的共享程度，可以将网络计算分为四种形式。
第一种形式是“客户端-服务器模式”。
这种模式中，计算资源被集中于服务器端，用户通过客户端发起请求，服务器接收请求并提供相应的服务。
这种形式的网络计算相对简单、易于管理，适合中小规模的应用场景。
例如，电子邮件传输和网页浏览就是基于客户端-服务器模式进行的。
第二种形式是“对等网络模式”。
在对等网络中，各个计算节点之间没有明确的服务器和客户端的区别，每个节点都可以提供服务和请求服务。
这种模式下，计算资源可以更好地被充分利用，提升整个系统的灵活性和可靠性。
对等网络在文件共享、即时通讯和分布式计算等方面具有广泛的应用。
第三种形式是“网格计算模式”。
网格计算是一种将分布在不同地域的计算机资源和数据存储设备通过网络连接起来，形成一个灵活可拓展的计算平台的技术。
网格计算模式强调资源的共享和协同处理，能够满足大规模科学计算和复杂数据分析的需求。
例如，气象预测、基因组学研究和高能物理实验等领域都需要利用网格计算模式进行大规模数据处理和模拟计算。
第四种形式是“云计算模式”。
云计算是一种按需提供计算资源和服务的模式，将计算机、存储设备和应用程序等资源通过互联网进行集中管理和调度。
云计算具有高度的可伸缩性、弹性和可定制性，可以根据用户需求快速分配计算资源。
公有云、私有云和混合云是常见的云计算部署方式。
云计算已经广泛应用于大数据处理、人工智能、物联网等领域。
网络计算的四种形式各有特点，可以根据不同应用场景的需求选择合适的模式。
它们都借助计算机网络提供了便捷高效的计算和通信方式，极大地推动了信息技术的发展和应用。
随着网络技术的不断进步，网络计算将继续发展壮大，为人们的工作和生活带来更多便利和创新。
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中国互联网的起步
• 1993年3月2日，高能所租用国际卫星信道建立的64Kbps 专线正式开通，成为我国连入国际互联网的第一根专线
• 1994年5月，高能所利用一台PC服务器在Linux操作系统 上建立了国内第一个WWW网站——中国之窗
中国第一条Internet专 线
中国第一台网页服务器
12
中国互联网发展现状
但是所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常 地准确 • 但是，单个处理器性能难以按照摩尔定律的要求 继续每18个月翻一番
– 散热问题：目前Intel处理器核心的能量密度已经接近 火箭喷射器 – 工艺问题：一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）
7
多核技术
按照摩尔定律发展，CPU的能 量密度将超过太阳表面！？
云计算与高能物理应用
1
报告提纲
• 云计算发展历程
• 技术架构和关键技术
• 主流开源系统
• 高能物理应用
2
计算机发展
网络时代 微型机 小型机 (60-70年代) 大型机 (40-50年 代)
3
(70-80年代)
大型机和小型机时代
• 设备昂贵，多终端共享主机 • 只能限制在一个机房中
4
摩尔定律
• 1965年，英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔 （Gordon Moore）提出（时任仙童半导体公司工程师）， 后又多次修正 • 三个版本：
• 2006年8月9日，Google首席执行官埃里克·施密特首次提 出“云计算”（Cloud Computing）的概念 • “Cloud Computing”英文单词在2006之前不存在，
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吉尔德定律
• 吉尔德定律(Gilder’s Law) 又称为胜利者浪费定律 • 由乔治·吉尔德提出，最为成功的商业运作模式是价格最低的资源将会 被尽可能的消耗，以此来保存最昂贵的资源。 • 在蒸汽机出现的时代，因为蒸汽机的成本已经低于当时传统的运输工 具马匹，因此聪明的商人开始了蒸汽机的使用。如今最为廉价的资源 就电脑及网络宽带资源。 • 在未来25年，主干网的带宽每6个月增长一倍，其增长速度是莫尔定 律预测的 CPU 增长速度的3倍并预言将来上网会免费 • 在美国，今天已经有很多的ISP向用户提供免费上网的服务
Today’s Architecture: Heat becoming an Sun’s Surface unmanageable problem!
Rocket Nozzle Nuclear Reactor 2,048
10,00
0
32,76 8
To Grow, To Keep Up, We Must Embrace Parallel Computing
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计算虚拟化
• 单颗CPU计算能力之强，甚至超过以往的大型机
• 但是，普通服务器的CPU利用率却不足30%
• 把一台机器虚拟成多台机器，提供给不同的应用
或者用户使用
• 这就是虚拟化技术，这跟当初的大型机的使用模
式是何等的相像！
– 其中，网络是关键
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互联网之父
Robert E. Kahn （1938） Vinton G. Cerf （1943）
– 运算能力足以超过ENICA
• 1974年4月1日，Intel推出了自己的第一款8位微处理芯片 8080 • 1974年12月，电脑爱好者爱德华.罗伯茨（E.Roberts） 发布了自己制作的装配有8080处理器的计算机“牛郎 星”，这也是世界上第一台装配有微处理器的计算机
6
摩尔定律持续多久
• 在过去近30年时间，摩尔定律多次被人企图否定，
1. 集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就
翻一倍。 2. 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一 半。 3. 用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两 倍。
5
微型机时代
• 1971年1月，INTEL研制成功了第一枚能够实际工作的微 处理器4004
– 该处理器在面积约12平方毫米的芯片上集成了2250个晶体管
2004 16
2006
2008
2010
2012
2015
Intel Developer Forum, Spring 2004 - Pat Gelsinger
• Intel认为：多核化可以继续提升处理器能力 • Intel CPU：E7-8870 2.5G (10 cores)
– 1000亿次FLOPS，计算能力是ENIAC(300FLPS)的 3.3亿倍
吉尔德
14
云计算形成与概念提出
• 摩尔定律
– 过去二十年：计算速度和存储容量由于微电子的发展，CPU的性 能提高了3500倍；内存和硬盘的价格却下降了4.5万倍和360万 倍
• 吉尔德定律
– 主干网的带宽每6个月增长一倍，网络费用将趋于免费 – 单机进入网络，离线进入在线时代！
• 虚拟化、软件工程、分布式计算等技术快速发展
截止到2016年6（中国互联网信息中心） • 中国网民： 7.10亿，普及率51.7 %，同比提升3.1 %
– 2008年以后全球第一
• 手机网民6.56亿，同比增加3656万，占比92.5 % • 农村网民1.91亿，占比26.9 % • 中国总域名3698万，网站总数454万 一个无处不网、无时不网、人人上网、时时在线的时代！
美国国家研究推进机构CNRI董事长
罗伯特·卡恩
Google公司副总裁兼首席互联网顾 问
文特·瑟夫
因为在TCP/IP协议方面所取得的杰出成就，他们在2004年荣膺图灵奖， 2005年获得美国总统颁发的总统自由勋章。
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万维网之父
Tim BernersLee （1955）
伯纳斯.李1989年在欧洲核子中心（CERN）将超文本引入互联网， 创建 万维网协议HTTP和HTML，做出了这一改变人类历史文明的发明。其实， WWW原本是为了方便世界各地的物理学家进行交流，但是CERN十分 慷慨，将它献给了全人类。 2004年成为全球最大的技术类奖——千年技术奖的首位获奖者，现任万 维网联盟 ( WWW Consortium）主席
Power Density (W/cm2)
1,000
100 4004 8008 8080
8086 8085 286
Hot Plate 386 486 ‘90 ‘00 ‘10 Pentium® processors
Parallelism Opportunity 80X
10
GOPS
128
1 ‘
‘80