本文選自開放架構HPC技術與生態(tài)白皮書，本文介紹ARM指令集兼容架構的HPC應用系統(tǒng)兼容生態(tài)完備度、易用性特征。

HPC 應用生態(tài)的行業(yè)特征明顯，例如油氣、制造 CAE 行業(yè)以商業(yè)軟件為主，但教育、氣象、生命等行業(yè)以開源軟件為主；不同學科的軟件應用特征差異很大。

先介紹 ARM 上若干重要科學和工程計算領域應用軟件；ARM 應用生態(tài)存在與其他架構應用生態(tài)類似的幾個特點：

（1）大型軟件與小型軟件并存。傳統(tǒng)高性能計算領域，如 CFD 計算、結構力學、氣候氣象等，主要依賴于若干大型應用軟件一次性完成仿真計算工作。生物信息等領域，依賴一系列軟件，分步驟協(xié)同完成仿真計算工作。

（2）計算密集型與訪存密集型并存。信息安全領域中的口令恢復和分子動力學計算，計算量大，訪存和內存要求低。而對于離散成稀疏線性系統(tǒng)的科學計算，計算訪存比低，訪存速度是限制應用實際計算性能的首要因素。

（3）通信自由型和通信受限型并存。對于線性系統(tǒng)求解類應用，由于只需要對殘差等少量數據進行全局通信，可擴展性好，并行效率高。對于大量數據全局操作，如矩陣轉置等，可擴展性差，有些只能擴展到幾十個節(jié)點。

（4）進程級并行和任務級并行并存。能力型應用和大型問題采用進程級并行，通過分布式多核并行實現(xiàn)極大規(guī)模可擴展并行計算。普適型應用和海量問題通常采用任務級并行，一次性提交成百上千個任務，一個任務使用 1-100 個計算節(jié)點，通過高并發(fā)實現(xiàn)并行計算。

（5）單一并行與混合并行并存。大部分軟件采用單一并行模式，85% 以上支持 MPI 并行。小部分僅支持 OpenMP 并行，極少數支持多級混合并行，甚至異構并行。

（6）核心算法簡潔與流程復雜并存。科學計算應用聚集到稀疏線性系統(tǒng)求解，口令恢復主要包括AES 等核心算法，非確定性粒子輸運模擬主要是粒子追蹤。

總體而言，ARM 指令集兼容架構在 HPC 領域的應用生態(tài)是相對完備的，在重要的科學計算領域中無論是商業(yè)軟件還是開源軟件均有 ARM 指令集版本。

以國家超級計算長沙中心的天河新一代系統(tǒng)為例，已成功部署了 Lammps、Abinit、VASP、Gromacs、CP2K 等基礎科研軟件，WRF 等氣象海洋軟件，OpenFoam、NekTar++ 等制造仿真開源軟件和 YH-ACT、YH-Aero、YH-SAS、YH-MAX 等天河生態(tài)工程計算軟件，tensorflow、tensorflow-lite 等人工智能軟件，opencv、graph500 等圖計算軟件，以及beagle、bookleaf、fftw、Laghos、numpy、atlas 等數學庫，與基于 x86 架構的超算系統(tǒng)對科學計算應用的支持覆蓋率相當。

基礎科研

基礎科研涵蓋的領域范圍廣，涉及分子動力學、計算化學、地球物理、石油地質、高能物理、天體物理、量子力學等，相關軟件種類繁多，其中相當一部分軟件為用戶自研。

分子動力學是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠計算機來模擬分子、原子體系的運動，是一種多體模擬方法。通過對分子、原子在一定時間內運動狀態(tài)的模擬，從而以動態(tài)觀點考察系統(tǒng)隨時間演化的行為。通常，分子、原子的軌跡是通過數值求解牛頓運動方程得到，勢能通?？梢杂煞肿娱g相互作用勢能函數、分子力學力場、全始計算給出。常用軟件包括 NAMD、Lammps、Amber、ABinit、CPMD、VASP、QE、DL POLY、Siesta、Gromacs 等。其中 Lammps、Abinit、VASP、Gromacs 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

計算化學是理論化學的一個分支，其主要目的是利用數學近似和電腦程序計算分子性質，例如總能量、偶極矩、四極矩、振動頻率、反應活性等，并用以解釋一些具體的化學問題。常用軟件包括Wannier90、PSI、GAMESS、CP2K、NWchem、Octopus 等。，其中，CP2K 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

地球物理是透過定量物理方法研究地球的自然科學學科，研究范圍包括地球的地殼、地幔、地核和大氣層，通常使用地震波、重力、電磁、地熱和放射能等定量的物理方法。傳統(tǒng)地球物理學主要指固體地球物理學，現(xiàn)代地球物理學的研究延伸到地球大氣層外部的現(xiàn)象，例如電離層電機效應、極光放電和磁層頂電流系統(tǒng)，甚至延伸到其他行星及其衛(wèi)星的物理性質。常用軟件包括 Landmark、Petrl、tesseral、Madagascar 等。

石油地質學是研究石油和天然氣在地殼中生成、運移和聚集規(guī)律的地質學分支學科，是石油和天然氣地質學的簡稱。主要的勘探方法包括四類：地質法、地球物理法、地球化學法和鉆探法。常用軟件包括 KronosFlow、basinmod、ChemStat、CMG Suite、FlowSolv 等。

高能物理學是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現(xiàn)，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們。常用軟件包括 Geant4、ROOT、Moose Framework 等。

天體物理學，又稱天文物理學，是研究宇宙的物理學，這包括星體的物理性質（光度，密度，溫度，化學成分等等）和星體與星體彼此之間的相互作用。應用物理理論與方法，天體物理學探討恒星演化、恒星結構、星際物質、宇宙微波背景、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。常用軟件包括CASA、DS9、Starfinder 等。

量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。它與相對論一起被認為是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。許多物理學理論，如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科，都是以其為基礎。量子理論的重要應用包括量子化學、量子光學、量子計算、超導磁體、發(fā)光二極管、激光器、晶體管和半導體如微處理器等。常用軟件包括 VASP、CASTEP、MS、ELK、ASW、abinit、CP2K、QE、flapw 等。其中 VASP、abinit、CP2K 已在國家超級計算長沙中心已在天河新一代系統(tǒng)上部署。

氣候海洋

數值天氣預報需要海量的地理信息、實時的氣象信息以及復雜的計算邏輯，WRF 是當前最為先進和廣泛使用的數值天氣預報系統(tǒng)。

天氣預報即綜合氣象站、衛(wèi)星等采集的信息數據，對一定區(qū)域范圍內未來一段時間的天氣情況進行預測，時間尺度一般是 1 小時 ~30 天。天氣預報可以指導人民生產生活，防范極端天氣，方便人們出行，天氣預報的常用開源軟件有 WRF、GFS。

海洋模擬可用于全球海洋洋流變化、海洋溫度、波浪變化、河口?？诔练e物演變等研究。海洋領域模式眾多，且大多為開源。比較常見的軟件包括：NEMO、SWAN、FVCOM、ROMS、HYCOM、WaveWatch3、ECOMSED、ECOM、POP、POM、MOM4、MITgcm 等，其中，NEMO 用于海洋環(huán)流、氣候研究，ROMS 用于三維海洋建模，SWAN 用于波浪仿真。海洋模擬需要對海量數據、眾多的數據源的數據集進行調查、觀測、計算，并對海洋數據進行快速交互與分析處理。

制造仿真

伴隨中國制造業(yè)轉型升級進程加速，工業(yè)產品設計研發(fā)過程中正在大量使用計算機輔助創(chuàng)新技術，以計算機輔助設計（CAD）、工程分析仿真驗證（CAE）、電子設計自動化（EDA）、計算機輔助工藝設計（CAPP）為代表的 CAX 研發(fā)軟件已經成為先進制造業(yè)及相關科研院所、設計單位不可或缺的重要研發(fā)工具。

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真包含流動、湍流、熱傳遞和反應等廣泛物理現(xiàn)象，其應用范圍廣。歐美國家已在計算流體力學領域深耕多年，開發(fā)出了以Ansys、Abaqus、ESI VPS 等為代表的典型應用。開源軟件如 OpenFOAM、SU2、PALABOS、Deal.II、Code Saturne 等。

結構力學仿真研究的主要內容包括計算固體材料的形變、應力和應變，通常用來確定結構（例如橋梁）的強度，以防止發(fā)生損壞或事故。結構力學應用范圍包括建筑橋梁設計、器件模塊設計，車輛、艦船設計等。當前結構力學領域典型軟件如 Elmer、Code Aster。

計算電磁學是現(xiàn)代電磁理論研究的主流，其建立在電磁場理論基礎上，以高性能計算機技術為工具，運用計算數學方法，專門解決復雜電磁場與微波工程問題。電磁工業(yè)軟件作為仿真計算的工具，如 ANSYS HFSS、FEKO、ANSYS Maxwell，已被廣泛應用于電子裝備的電磁設計中。

生命科學

生命科學是高性能計算的重要應用領域，數據量大、數據種類多樣。隨著基因組、轉錄組和蛋白質組、醫(yī)療影像等生物大數據井噴式增長，對數據存儲的要求越來越高，同時，數據分析和挖掘過程中對算力和高性能計算技術的要求也越來越高。常用軟件包括：BLAST、BWA、CNVnator、HISAT2、Bowtie、Minimap2、diamond、hisat 等。

虛擬藥物篩選是藥物篩選技術發(fā)展的另一個方向，是將藥物篩選的過程在計算機上模擬，對化合物可能的活性作出預測。比較常見的軟件包括：PyRx、DOCK、DSMS、Sybyl、QSAR、octave 等。

醫(yī)學影像提供了功能性和結構性的臨床信息，如何從影像中分析疾病相關信息，并加快其分析速度以及提高醫(yī)學影像的圖像質量是醫(yī)學影像領域亟需解決的問題。如 Relion、GDS3D、eman2 等。

地球物理

CitcomS是一種有限元代碼，用于解決與地幔有關的可壓縮熱化學對流問題。軟件為開源軟件遵循 GPL-2.0 協(xié)議。ASPECT是 由 CIG組織開發(fā)的一套開源地球動力學熱對流模擬代碼，旨在為地學工作者提供一套具備高可用性、高可擴展性、數值求解算法先進、文檔完備的開源軟件。

下面，介紹下我國自主研制的若干科學和工程應用軟件。

中國科學院相關單位研發(fā)的芯片后端驗證工具 ChEDA、離散顆粒運動模擬軟件 DPS、擬顆粒模擬 PPM+、天體物理模擬軟件 PHoToNs、相場模擬軟件 ScLETD、分子動力學模擬軟件DeePMD-kit、格點量子色動力學CLQCD、海洋環(huán)流模式 LICOM。

中國空氣動力研究與發(fā)展中心NNW 系列軟件，國防科技大學銀河矩陣計算軟件YHMatrix、不可壓縮流體計算軟件 YHACT、銀河通用網格生成軟件 YHGRID，西安電子科技大學計算電磁軟件LASPCEM，自然資源部第一海洋研究所海浪模式 MASNUM，西安航空計算技術研究所外流仿真分析軟件 WiseCFD-UG，中國核動力研究設計院MOI-X 與MORE，西北工業(yè)大學航發(fā)仿真應用計算軟件AES，北京理工大學全波數值電磁仿真軟件 SINOCOM等。

審核編輯 ：李倩