建立广东工业大学高性能计算机支撑技术平台

一、项目背景

建立计算机学院的高性能计算平台与学校高性能计算平台建立无缝连接，并与广州市超算平台对接，在高速大容量存储和云计算环境的支持下，促进计算机学院的学科发展、人才队伍培养，提升科研实力与水平将起到十分重要的作用。云计算环境、高速存储和高性能计算资源将为广东工业大学芯片基地建设提供支撑，为计算机学院与番禺动漫产业的紧密合作提供动漫设计、动漫渲染、动漫后期制作、及动漫计算等服务，为舆情分析、物联网应用、应急调度、视频数据分析与处理、海量数据挖掘、信息融合等提供计算支撑。并支撑将计算机学院学科建设成为广东省鲜明特色的重点学科，成为广东省计算机应用技术研究开发和高级人才培养的重要基地。

从学科建设的全局考虑，结合当前的高性能计算技术、云计算技术、高性能网络和高速存储技术的最新发展，充分利用了学校建设的超算平台，把计算机学院以往的设备和资源有机结合起来，构成专业云、工业云和校公用云的三云有机整体，既有专业性，又有公用性。具备了高速访问、高速计算和海量存储的能力，必将为计算机学院的学科发展提供强力支持。

二、需求分析

计算机学院的学科发展已进入高速发展的轨道，在科研、教学、人才培养的各方面对高性能计算提出了需求，简述如下：

2.1     人才培养及应用需求

为进一步推动广州市超算中心在基础设施建设、配套服务和系统建设，广东工业大学超算中心的建立将在如下几方面提供有力的支持。

首先，积累适用于超级计算的应用软件开发经验。随着超级计算系统规模增大，为超级计算机编写高效程序越来越复杂。而且由于缺乏广泛应用的并行程序设计模型，软件的技术进展远远落后于硬件的技术进展。通过广东工业大学超级计算中心的建立，可以积累适用于超级计算环境的应用软件开发环境和，为广州市超级计算中心的正式运行提供有支持。

其次，储备高端人才。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。通过广东工业大学超级计算中心的建立，可以为广州市超级计算中心培养“超级计算”领域人才。

第三，拓展超级计算应用领域，培育用户支持度。随着国内超算中心陆续建成，对有强烈需求的船舶设计、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。通过广东工业大学超级计算中心的建立，可以预先根据广东省的产业应用特点，培育用户支持度，从而增强广州市超算中心的效果。

通过广东工业大学超级计算中心的建立，一方面，可以发挥广东工业大学在广东省的产业服务资源优势，以超级计算中心强大的数据处理和存储能力为广东地区的企业和社会提供云计算服务，提高产品创新力和产业竞争力，推进现代产业体系转型。另一方面，借助国防科技大学在超级计算领域的技术水平和人才优势，特别是在并行计算机系统架构、系统软件和管理维护技术等方面的创新优势，加强科研成果转化能力，为广东省的现代信息服务业和现代制造业转型作出积极贡献。

高性能计算建设可以为以下研究方向提供支撑：

1)   渲染任务的调度分配算法

2)   云渲染的应用环境研究。

3)   渲染任务的管理工具的研究开发。

4)   分析、整合各种型号的渲染软件，建立效率最高的集群架构和网络结构。

5)   研究集群渲染软件的调度算法，针对一些特别的应用，对调度算法进行改进，提高效率。

6)   还有就是针对一些特定的场景的渲染算法。比如针对中国水墨画的渲染算法等。

7)   形成相应教学平台，促进园区技术创新与应用创新，推动园区科技建设向前发展。

2.2    科研及教学需求

a)  云计算辅助教学

云计算辅助教学是指学校和教师利用“云计算”提供的服务，构建个性化教学的信息化环境，支持教师的教学和学生的学习，提高教学质量。

(1)  自主式学习

在“云计算”环境下，每个人可以根据自己的需要，订制学习计划和学习资源，学生是学习的主体。只有让学生端正学习态度，正确认识云计算辅助教学，才能使其从中多方位地获得知识。教育学生如何利用课堂的时间，借助各媒体的作用，让学生明白云计算辅助教学不是为了好玩，而是为了更好、更快、更容易地掌握新知识。

(2)  协同交流式教学

云计算向教师提出了挑战，教师要想继续在教学中发挥主导作用，就必须提高自己的能力水平．超越技术因素，进入教学的艺术境界。云计算辅助教学的应用，使教师从繁琐的教学准备中解放出来，有更多的时间去充实自己和进行教学研究，向研究型教师转化。同时，云计算辅助教学的应用。也要求教师去学习和掌握它。因此，教师必须实现自己角色的新转化，并不断地充实自己，以适应教育现代化的需要。在云服务的教学课堂上，教学内容可以从云端获得。由开放软件开放的标准，开放的数据访问和开放科研的理念发展而来的开放的教育教学内容．这些教学内容包含了从课程数据到互动的教学社区。

(3)  个性化学习

探索式教学利用云计算的虚拟技术，教师和学生能够通过画面直接进行交流。在课堂教学中能够营造出一种不断提问的效果，促进了学生积极主动地进行探索式学习。教师利用云思维、云服务技术，了解云时代学生的学习特点，重视网络在学生生活和学习中的重要地位，灵活地选择合适的媒介．按需提供更适合学生个性化学习，促进学生的学习与创新。

b)  云计算对学院科研的促进作用

(1)  为学校、学院广大科研工作者提供高可靠性、高可用性、可扩展、按需定制的强大计算资源，为生物信息学、大规模并行算法设计、图形图像处理、音频视频处理、物联网数据的存储与分析、流体动力学分析、机械辅助设计与制造等应用的研究领域提供强大的计算能力，提升学校科研工作效率。

(2)  为学校、学院研究人员提供强大、稳定、可靠的存储能力，包括图书馆数据存储、管理和检索，教务、教学数据存储与管理，科研数据存储与管理，档案数据存储与管理，各专业领域的公共数据库、可共享的专有数据库、个人数据存储等。

(3)  提供全面可靠的软件服务资源。将学校、学院具有自主知识产权的代表性软件封装为云服务对外发布，为教育科研领域的同行服务，同时加强对广工的推广和宣传。

2.3     云平台共享教学资源库建设需求

成熟的教学资源共享服务平台可能面对校内外数十万用户的访问请求，服务器必须有强大的数据吞吐和处理能力，这是高性能计算发挥作用的舞台。高性能服务器每秒可以处理数千万乃至数十亿次的服务请求，及时提供校内外用户所需要的信息和服务，保证教学资源库的服务质量。

计算机学院已确定10门核心课程资源建设作为教学研究和创新的重中之重，各个核心课程的课程组已开展相关研究多年，积累了丰富的前期建设资源和研究成果。例如2门省级精品课程《操作系统》、《计算机网络》。1门校级精品课程《计算机网络技术》，3门省级重点课程：《计算机组成原理》、《数据库原理》、《数据结构》。国家级特等奖、国家级科技进步三等奖优秀教材《数据结构》系列教材和演示课件建设,自主研发的基于程序可视化运行、调试和测评的《数据结构》、《程序设计》、《离散数学》、《计算机网络》等核心课程的互联网实验与作业平台在课程教学中应用多年，已开始在省内外高校推广。多项国家级和省级教学成果奖。多门核心课程网站获奖。计算机与网络实验教学示范中心为省级实验教学示范中心，其中10台刀片服务器及其虚拟化管理将为区域云平台的构建提供系统基础资源。多项国家和省基金科研项目的研究为云计算平台的研发、课程资源开发建设和优质教学资源共享服务等研究提供了强有力的研究基础和技术支持。

基于区域云的计算机学科核心课程群优质教学资源共享服务平台将对教育信息化研究提出全新的研究思路，该思路侧重激发调动学生的主动参与和时间，提供实时互动、反馈和评测。该平台的建成将彻底改变目前传统教学和现有信息化远程教学模式单一、枯燥的现状。通过“学院→学校→大学城→全省→全国”的层次推广模式，在高等远程教育、各培训机构、公司学员进修等领域产生深远的社会效益，节省学习和培训成本，提高教学效率和质量，创造巨大的经济效益，应用价值不可估量。

三、解决方案

本项目本着“集中管理，共享资源，高效运作”的原则，对所购买的设备集中管理，既照顾各方向的专业独立性，又可充分共享资源。根据学院和学校网络中心的现状，本次购买的云计算平台硬件设备拟放置在学校网络中心，和网络中心的高性能计算平台统一管理与使用，提高运算性能。本项目中的云计算平台拟选用能与其兼容较好的相同厂家提供的云计算专业解决方案。针对计算机学科的特点，本次计划分以下几部分的内容进行建设：

（1）云计算平台。计算核心每个节点采用4枚8核的E7-4820 CPU提供强大的计算能力，每节点128GB内存提供巨量虚拟空间，通过万兆光纤连接计算机学院刀片服务器群，可为计算机学科核心课程群优质教学资源平台提供足够的计算能力，同时接入高性能计算的40Gb QDRInfiniband交换网络，与网络中心高性能计算共享计算能力和存储空间，该云计算平台设备放置在学校网络中心。

（2）高速存储系统。采用双控制器光纤存储技术，具有速度快，可扩展性好的优点。能适应快速增长的数据存储需求，考虑计算机学科课程群优质教学资源数据存储的总体容量，第一期实施存储约9TB。

（3）服务器虚拟化软件VMware。提供池化资源以及动态优化的自助管理环境，为计算机学科课程群提供不同应用环境的虚拟化操作系统，能充分发挥8核CPU强大的技术能，在不影响计算性能情况下，每枚CPU可支持50个虚拟主机，配合高速网络保证数据流畅传输。

（4）桌面虚拟化软件Citrix XenServer。将远程计算机的桌面虚拟化，可以通过任何设备，在任何地点，任何时间访问在网络上的属于我们个人的桌面系统。为云终端的远程桌面定制不用的虚拟环境，提高了云终端的安全性和灵活性，同时可充分发挥云计算中心的计算能力。比如，可为教师和学生的电脑按要求定制虚拟化的桌面应用，不同桌面可提供不同的内存和硬盘容量定制。

（5）学院主干网络升级，升级学院机房到网络中心链路速度至万兆，并通过千兆到接入交换机。

（6）建立无线传感网络。搭建一个先进的无线传感网络实验平台，采用美国Crossbow公司的解决方案。以Imote2无线传感器节点平台为核心，能够灵活支持不同种类的传感器、A/Ds、射频器。强大的CPU和高性能的射频发射器，可以实现大处理量支持各类传感器板的无线传感器网络，同时配有丰富的开发包和教学套件

网络拓扑如图所示：

网络拓扑结构示意图

四、应用效果

本项目的云计算平台放置在学校的网络中心，利用网络中心机房的环境和网络出口优势，保证了设备的安全性和使用效率。云端设备放置在工学一号馆的7楼北边科研实验室，通过千兆网络接入云计算平台。

云计算平台的投入使用，大大提高了学院的工作效率，学院实验中心现有专业技术与管理人员10人，每天管理着11个计算机类基础和专业实验室，能满足对系统日常维护的需要。对于软件系统维护，利用网络中心的技术力量，保障云计算平台、存储系统、高性能计算中虚拟化软件，存储备份软件、操作系统、数据库系统等关键部件的高效运作。云端通过网络运维管理系统进行维护，可对全网的网络设备进行资源分配，资产登记、拓扑发现、结点控制等管理，起到远程管理、节约能源、安全快捷的效果。