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基于超算中心建设我省云计算与公共服务平台的设想

  湖南省人民政府经济研究信息中心副主任、教授级高工 杨志新

 

  今年,我省将建设超级计算中心,按近期每秒300万亿次、远期每秒1000万亿次的运算能力分期实施,为我省装备制造、新能源、新材料、气象预报、地质勘探、新药开发等多个研究和生产领域构建数据信息平台。本文对以超算中心为基础、结合云计算应用,构建公共服务平台的总体框架和服务机制进行研究。

 

  一.建设超算中心面临机遇和挑战

  近年来,超级计算机中心建设可谓风起云涌。上海率先建成并开放可共享的超级计算机中心,对上海传统产业结构调整、增强科技经济竞争能力、巩固并加强其经济中心地位具有重大的战略意义。上海超算中心以建设世界一流高性能计算公共资源服务中心、高性能计算技术支持中心、高性能计算增值服务中心为目标,通过开放可共享的高端计算环境,支持开发推动经济建设和行业发展的关键应用项目,创造新型科研和生产手段,为跨行业跨学科的技术合作创造机会,培育新的经济增长点。上海超算中心装备了曙光5000A系列超级计算机,基于cluster集群架构,采用刀片服务器,共有26000个核,计算规模达230万亿次。在航空航天、汽车船舶、工程计算、生物制药、科学研究等领域开展应用,用户已经遍及各个行业。成都超算中心2009年完成一期工程建设,是国内第一个引入云计算概念的超级计算中心。成都超算中心采用曙光系列超级计算机,一期具有每秒30万亿次的计算能力,2010年底建成峰值运算能力达每秒200万亿次。成都超算中心定位为集政务计算与信息处理、开放科研开发基础平台、开放培训与教育平台、面向综合信息化管理的办公平台于一体的基础设施。科学计算和商业计算部分与政府超算部分性能比例为2:1,一期30万亿次的计算能力为科学计算提供20万亿次,为政务应用提供10万亿次。成都超算中心采用电子政务云与科学计算云相结合方式,引入云计算的商业运营模式,由地方政府与企业按商业规律运作建设。成都市政府提出需求,曙光公司提供解决方案并负责实施和后期的运营维护管理,这种新型模式为成都市政府在前期投入、后期设备管理与维护方面节省大量的人力物力,成为国内首个可以同时为电子政务及科学计算服务的超算中心。目前,北京、深圳、天津、沈阳、武汉、广州、济南等各大城市都在投巨资建立超级计算中心,从十万亿次、百万亿次到千万亿次。上海超算中心是国内运营最成功的公共计算平台之一,但很多省市的公共计算平台在基础设施建设、配套服务、运行机制上都没有得到系统的发展,有些超算中心甚至举步维艰,超算中心的建设和应用仍然充满了挑战。一是缺乏应用软件的支持。硬件速度上去了,但在高性能计算的软件方面非常落后,并行计算能力还很差,仅仅是在少数领域的少数几个程序是源自国内设计,大部分的应用程序都来自国外。购买发达国家的商业软件,价格非常昂贵,甚至超过硬件平台本身,一般的超算中心根本承担不起。同时,由于国外出口政策的限制,即使有钱也买不到类似商业软件。没有很强的应用软件支持,超算中心的作用非常有限。二是缺乏大量用户的支持。随着国内超算中心陆续建成,对有强烈需求的气象预报、石油勘探、生物医药、航空航天、资源勘测、基础科学理论计算等领域的用户争夺竞争会异常激烈,其他用户市场开拓困难亦是不争的事实。上海超算中心的计算规模是200万亿次,但是平时日处理业务一般在10万亿次以内,最多的时候也不过50万亿次。没有大量的用户支持,超算中心的效果很难体现。三是高端专业人才缺乏。超算中心涉及行业广、涉及学科多,高性能计算机专业性强,并行计算软件的要求高,此类的复合型人才十分缺乏。四是运行维护成本较高。超算中心是一个巨大的工程,耗钱、耗时、耗力。上海超算中心一年的电费就达1200万元,深圳超算中心一年电费估算在2000万左右,还有软件、硬件的维护,巨大的运行成本对超算中心的发展压力很大。湖南超算中心的建设仍然面临机遇和挑战,应当站在国际视野和时代发展的前沿来谋划,作为加快经济发展方式转变的具体举措来落实,作为新兴产业发展来创新。超算中心是一个城市现代化发展水平的重要标志,随着云计算、物联网、三网融合等产业新机遇的出现,超算中心能串起产业链的各环节,让更多的人力资源、资金、技术快速流动起来,成为承载湖南信息产业和服务业发展的有效平台。

 

  二.超算中心与云计算的有机结合

  云计算是信息社会的一次工业化革命。云计算是指基于互联网的超级计算模式,它将计算机任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够根据需要获取计算力,存储空间和各种软件服务。近年来,云计算技术和产业发展很快。随着需求的驱动,云计算已从朦胧走向现实,从技术走向产业。一是数据处理的大量需求。2010年,全球产生的信息量达到1.2ZB,就是12亿个TB,信息量在过去一年中上升了62%,类似于摩尔定律,每18个月就会上升大约一倍。以后的两年人类所产生的数据将是过去我们人类五千年文明的总和,全球信息量已经进入到了ZB时代(资料来源:2010 第二届中国云计算大会)。二是服务器等设施的利用效率太低。信息量的巨幅增长,一方面带动了数据中心的建设,另一方面又存在现有设施利用率太低的矛盾。具国外资料介绍,绝大多数服务器的利用率不超过 15%并且运行成本、维护成本惊人。按单位面积计算,数据中心、网管中心等机房设施的建设和运行成本是普通办公室建设和运行开销的一百倍以上;80% 的信息系统的运行维护费用开销在系统软件的安装、调试、纠错和维护等基础服务;服务器的数量每增加两倍,耗电量将增加四倍。云计算概念出现以后,其按需付费、低成本运行、方便使用、节能降耗等优势,受到众多IT企业的追捧。云计算有三个非常关键的要素:一是商业模式,按需付费;二是技术基础,虚拟化、分布式、并行计算能力;三是运营能力,有紧密型组织的基于云计算的大平台。云计算的核心计算和处理能力,除了虚拟化技术外,功能强大的数据中心必须具备。Google是云计算的典范,它在全世界建立了多个数据中心,部署了80万台服务器。所以,国内开展云计算服务,也存在很多困难。建设以巨多服务器为基础的数据中心,投资很大,也不现实;电信运营商虽然有较大的计算能力,但主要还是为自身业务服务;利用互联网上的服务器资源,采用虚拟化和松散方式提供服务,必然存在运行、管理和安全等诸多问题。超算中心超强的计算能力、数据处理能力和存储能力可以成为云计算的数据中心;超算中心的政府主导模式、紧密型组织形式和公众可信度可以成为云计算的公共服务中心;超算中心的商业模式就是按需付费,与云计算的商务模式完全一致。基于超算中心建立我省云计算中心是完全可行的。

 

  三.我省超算中心建设和应用的几点建议

  高性能计算机是超算中心的基础设施,高性能计算和应用是超算中心的核心和关键。高性能计算及其应用已经从传统的科学计算、工程仿真、石油勘探、气象预报等领域扩展到了生物医药、工程设计、高端装备研发、新能源、新材料、动漫设计,以及金融风险分析甚至公共安全与城市管理等诸多领域。如何为这些需求开发应用,或者将已有的应用移植到超算中心高性能计算系统上,对软件厂商和产业发展,机会和挑战都很大。

 

  1.建立以超算中心为基础的我省云计算和公共服务中心

  明确功能和服务定位。在湖南超算中心的基础上,建立湖南云计算中心和湖南公共服务中心。

  超算中心:主要面向基础科学计算如涉及气象、天文、化学、物理和新材料等基础科学,面向工业类的模拟与分析如航空、航天、船舶、汽车、高层建筑、地下隧道、高端设备研发、工程设计等;

  云计算中心:主要面向中小企业、政府机关、事业单位和个人。一是提供公共云服务。(Iaas:提供网络、计算和存储一体化的基础服务)超算中心有先进的数据中心和强大的数据存储能力和专业的团队、严格的权限管理策略,可以帮助用户享受到优质、安全、低成本的基础设施服务;(Paas:通过平台为客户提供一站式服务)依托高性能计算环境,建立公共物流信息平台、公共交易信息平台、动漫制作公共技术服务平台等等;(Saas:为客户提供各种应用软件服务)如在线企业管理软件CRM/ERP/SCM、企业在线办公系统、在线营销系统、在线客服系统、在线调研系统等等。二是提供专用云服务。如政务云,提供在线服务、协同办公、综合业务平台;如空间地理信息服务云,为城市地理、资源、环境、人口、经济、社会社情和各种社会服务等复杂系统数字化提供公用服务平台。

  公共服务中心:把超算中心作为公共服务平台,在机制和体制上明确定位。一是明确政府主导作用。基于超算中心建设公共服务中心这一全新模式具有特殊意义,符合科学发展、集约化建设和节约型社会的要求。公共服务平台一定要有市场化机制,但不一定要完全市场化。政府要支撑这个公共服务平台的运营费用,为基础科研和公共服务买单。二是明确整合资源作用。在科学计算、网络存储、公共服务技术平台支撑等方面进行资源整合,使超算中心逐渐成为资源中心。三是明确公共服务作用。集中提供类似科学计算服务、物流公共服务、动漫科技公共服务、政务公共服务、空间地理公共信息服务等技术平台,建立全省最大的公共服务中心。

  2.大力发展高性能计算并行处理软件服务业

  从软件的应用分类,可分为基础软件、中间件和应用软件 ;从软件的载体分,也可以分为面向设备、仪表的嵌入式软件,面向PC服务器、小型机的通用和专用软件,面向高性能计算的并行计算与处理软件。嵌入式软件是湖南的优势软件产业,株洲南车时代因此成为湖南唯一的2010年全国软件100强。利用我省超算中心建设的大好机遇和国防科大高性能计算的技术优势加快我省高性能计算并行处理软件服务业发展,前景广阔,应在产业规划、政策扶植、市场培育、队伍建设等方面加大力度。

  3. 开拓高性能计算服务的国内市场

  依托国防科大和湖南大学的技术优势和超算中心的公共服务平台,重点培育一、两家软件企业,面向全国市场开展高性能计算应用软件开发和技术服务。目前,北京、深圳、天津、沈阳、武汉、广州、济南、成都等各大城市都在建超级计算中心,高性能计算软件及服务有较大的市场需求。

  4. 培养基于高性能计算的技术人才队伍

  依托国防科大和湖南大学开展全方位多层次的技术培训和专业化人才队伍建设。一是开展研究生、本科生定向培养,培养我省高性能计算软件开发高端人才。二是开展现有软件开发人员的专业培训,为超算中心、专业软件公司培养实用人才。三是建立技能等级评定制度,鼓励专业人才脱颖而出。政府应给于资助,支持高性能计算专业人才的培养。

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