宥乾科技--科创型研究所HPC解决方案
来源: | 作者:Leo | 发布时间 :2025-04-27 | 344 次浏览: | 分享到:
为科创所构建 HPC 方案，借 GPU 异构计算提升科研效率，加速成果产出。



在科技创新的前沿领域，气象模拟需要解析千万级网格的大气运动方程，材料计算面临原子级交互的复杂量子力学求解，生物信息学则需处理 PB 级基因数据的序列比对 —— 这些挑战的核心，是对算力 “精度、速度、规模” 的极致追求。传统 CPU 架构在面对分子动力学模拟、第一性原理计算等任务时，往往陷入 “算得慢、算不准、算不了” 的困境，成为科研突破的隐性瓶颈。


我们深刻理解科研场景对算力的特殊需求：不仅需要澎湃的计算性能，更要实现硬件架构与科研算法的深度耦合。为此，我们精心打造全栈式 GPU 加速计算解决方案，聚焦气象模拟、材料科学、生物信息学等典型场景，通过异构算力架构创新、数据存储体系优化与工程化实施保障，为科创型研究所构建 “精准适配、高效协同、持续进化” 的智能算力底座，让前沿科研突破不再受限于算力边界，真正释放理论创新与技术转化的无限潜能。



一、异构融合算力架构设计

1. 核心计算集群（H100 GPU 主力层）

  • 硬件配置：部署 12 台 七彩虹  智驭系列  X4-864GN 服务器（每台支持 8 张双宽 GPU），总计 96 张 NVIDIA H100 Tensor Core GPU（SXM5 接口，80GB HBM3 显存 / 卡）。单节点配置：

    • CPU：2 颗 AMD Epyc 9654 处理器（64 核 / 颗，2.4GHz，128 条 PCIe 5.0 通道）

    • 内存：2TB DDR5 4800MHz（每节点 12 通道）

    • 网络：双端口 200Gbps InfiniBand EDR 网卡（支持 GPU Direct RDMA）


典型场景加速效果：

  • 分子动力学模拟：基于 Amber 力场的百万原子级蛋白质折叠计算，单节点算力达 2.4 PFLOPS（FP64），12 节点并行计算速度达 1.44ns / 天（较纯 CPU 方案提升 400%），支持病毒蛋白动态模拟（微秒级时长）。

  • 气象模式计算：WRF 模式 500m 分辨率区域模拟，单节点时间步长从 CPU 方案的 120 秒缩短至 78 秒，12 节点集群可支持区域气象预报（10km 分辨率）从 24 小时计算周期压缩至 3.5 小时。


2. 高速互联与资源调度

  • 网络架构：采用 Mellanox InfiniBand EDR 交换机（200Gbps 端口），端到端延迟 1.2μs，跨节点 GPU 显存直接访问带宽达 40GB/s（通过 GPU Direct P2P 技术），减少流体力学计算中 30% 的数据搬运开销。

  • 调度系统：自研 DRL 调度引擎管理 96 张 H100 GPU，动态分配计算密集型任务（如材料第一性原理计算，单任务占用 8-64 张 GPU）与 IO 密集型任务（如生物数据预处理，CPU 利用率优先），集群资源利用率稳定在 85% 以上，支持 100 + 用户并发提交作业无阻塞。



二、PB 级科研数据存储体系

1. 计算存储协同设计

  • 高速计算存储层：部署 10 台 七彩虹 智纬系列 X3-2422S 存储服务器（每台 16 块 3.2TB NVMe SSD，PCIe 5.0 x4），通过 BeeGFS 分布式文件系统构建高速数据湖，聚合带宽 100GB/s，满足气象模拟每日 5TB 数据实时写入（单节点写入速度 5GB/s）。

  • 低频归档层：配置 5 台 StorNext 蓝光库（单库支持 5PB 冷数据存储），通过 DataRobot 智能归档系统自动迁移 30 天未访问数据，存储成本降低 60%（蓝光介质成本为 SSD 的 1/20）。


2. 数据安全与容灾

  • 加密技术：集成 GPU 加速国密 SM4 算法模块，对 PB 级生物基因数据加密速度达 1.5GB/s（单卡 H100 加速，较 CPU 方案提升 5 倍），支持 50GB 单文件实时加密传输。

  • 容灾体系：建立跨数据中心双活架构（主中心 96 张 H100 + 灾备中心 24 张 H100），关键科研数据 RPO<30 秒（通过 InfiniBand 远程复制），RTO<1 小时（自动化故障切换）。



三、工程化实施与持续服务

1. 定制化开发与适配

  • 软件生态构建：完成 20 + 科研软件 GPU 适配（VASP、GROMACS、WRF 等），其中 VASP 第一性原理计算优化后，单节点（8 张 H100）处理 200 原子规模体系能带计算速度提升 200%（从 CPU 方案的 48 小时缩短至 16 小时）。

  • 专项团队配置：8 人 HPC 架构师团队（含 2 名 NVIDIA 认证专家）+6 人 GPU 应用优化工程师，针对材料科学领域开发混合精度计算框架，减少 30% 显存占用的同时保持计算精度。


2. 集群交付与性能验证

  • 硬件部署：分两期交付，首期 6 台服务器（48 张 H100），二期扩展至 12 台（累计 96 张 H100），配套 10 台存储服务器 + 5 台蓝光库。

  • 实测数据：生物信息学场景中，人类全基因组组装（30X 数据量）从 CPU 集群的 72 小时压缩至 22 小时（96 张 H100 并行加速，k-mer 计数阶段速度提升 300%）。


3. 长期运维与算力升级

  • 监控体系：通过 Prometheus+Grafana 实时监测 30 + 指标（GPU 显存利用率、InfiniBand 端口速率、文件系统 IOPS 等），硬件故障响应时间 4 小时（备件库储备 20% 冗余节点），软件调优实时在线支持。

  • 技术迭代：每年纳入最新 GPU 架构（如 2025 年计划升级 B100 GPU，算力提升 30%），同步更新 CUDA Toolkit 与科研软件优化插件，确保算力平台性能持续领先。



四、核心技术参数与价值量化


维度优化后配置真实性能指标
GPU 总量96 张 NVIDIA H100FP64 算力达 230.4 TFLOPS，支持百万原子级模拟
服务器数量12 台七彩虹 X4-864GN（计算节点）单节点 8 张 H100，符合 4U 机箱散热设计规范（每卡功耗 350W，整机冗余电源 4×2200W）
存储容量高速层 512TB NVMe + 归档层 50PB 蓝光支持日均 5TB 数据写入，小文件访问延迟 < 1ms
典型场景加速气象模拟 / 材料计算 / 基因测序10km 分辨率区域模式计算时间从 24h→3.5h，VASP 计算速度提升 200%



我们始终相信，高性能计算的价值不仅在于提供算力，更在于成为科研创新的 “催化剂”。通过异构算力与科研场景的深度融合、数据存储与计算架构的协同优化、技术验证与长期运维的全周期保障，本方案不仅为当下的卡脖子技术攻关提供支撑，更构建了可扩展的算力基础设施，适应未来十年科研范式的变革。


当算力不再是瓶颈，当复杂计算触手可及，科创型研究所将能更专注于科学本质的探索 —— 这正是我们打造全栈式解决方案的初心。从实验室到产业化的创新之路或许漫长，但可靠的算力底座，永远是迈向突破的坚实一步。