虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用研究

潘笑颜 孙璐璐

摘要：伴随着时间的推移，世界范围内的计算机技术得到了快速的发展，各种高性能计算机系统的规模也在不断扩大，应用范围越来越广，与此同时，高性能计算机系统的结构也变得更加复杂，导致高性能计算机系统在实际的应用过程中的管理和使用难度也变得更高。而虚拟化技术在高性能计算机系统上运用之后，能够有效地对计算机系统进行管理，同时也有利于高性能计算机系统原本的作用和价值得到完全发挥，这无论是对于微观角度的高性能计算机系统的应用发展，还是对于现代社会的发展，都具有重要的现实意义和作用。故此，在本文中针对虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用进行系统的研究和分析，并且本文还对虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用前景进行了论述。

关键词：虚拟化技术;高性能计算机;计算机系统;技术应用;研究分析

前言：

在当代社会发展过程中，高性能计算机系统的运用相对常见，并且为了能够获取到较高的性能和效率，用户所使用的软件也需要依据具体的体系结构特点进行定制处理，导致高性能计算机系统的应用也需要进行相对应的优化和完善，这虽然能够提高计算机系统的性能，但是使得系统软件和应用程序的开发时间大大增加，不利于高性能计算机系统的作用和价值的发挥。而虚拟化技术在其中的运用，能够大大节省硬件成本，同时提升资源利用效率，并且在虚拟化技术的帮助之下，能够有效提升系统的可靠性和安全性。所以，在接下来的文章中针对虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用进行详尽阐述，除此之外还会提出一定的具有针对性和建设性的意见和对策。

一、虚拟化技术在高性能计算机系统中的具体应用

所谓的虚拟化技术，其本质上是一种资源管理技术，将其在高性能计算机系统中进行运用，可以实现计算机各种实体资源的抽象转换。从中能够看出，虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用具有充分的可行性和必要性。目前来看，虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用主要表现在以下几个方面：

（一）整合异构资源

进行异构资源的整合，其主要目的是为了将现有的几种不同的超级计算技术整合到一个统一的高性能计算机系统当中，这样可以使得高性能计算机应用不同类型的处理技术。其中Cray公司在进行高性能计算机系统的设计、构建过程中，利用自适应超级计算机技术平台将标量计算技术、向量计算技术和多线程技术等等集合到了高性能计算机系统当中，并且所应用的多类型处理技术共享全局寻址存储。并且为了方便用户的应用，还采用了符合现代工业标准的Linux操作系统，用户在实际使用过程中可以将其作为单一的系统进行运用，依据实践效果来看，用户的接受程度也是比较高的。

另外，这一系统在虚拟化技术的帮助之下，可以实现对底层的抽象化处理，用户可以在抽象的系统结构中进行操作和编写程序等等。而且依据整合异构资源的实际情况来看，这一虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，可以使得系统支持更多的不同领域、不同特点的计算应用程序，对于用户群体来说就相当于提供了相当大的便利，用户也不必再依据某一个特定的系统而去修改相关的应用程序。

（二）虚拟化的集群系统

在高性能计算机系统的资源管理方面，国外Ohio State大学中相关的学者和专家提出了一种虚拟化集群系统框架，并且在这一框架的基础之上采取了传统的模块法针对高性能计算机系统进行设计，有效地提升了系统的综合性能;

①虚拟化集群系统框架结构

如上图1所示就是基于VM的虚拟化集群系统框架结构图，由于是采用模块化方法进行设计的，因此可以将其分为以下几个主要模块：

首先是前端模块，这是用户与高性能计算机系统进行交互的界面，用户在实际的应用过程中可以完成系统环境的定制等等;

其次是物理资源模块，通过高速互联的网络连接起来的计算节点，可以运用虚拟机管理器进行管理。并且为了获取最佳的性能，其中一个物理节点不会运行超过自身性能标准的虚拟机，这样可以保障高性能计算机系统的综合性能;

再次是管理模块，这是基于VM的虚拟化集群系统框架结构的核心所在，其主要任务在于依据具体的要求进行物理资源的查找，以满足系统实际作业运行要求。当获取到足够多的空闲虚拟机，管理模块就会提交并且执行对应的作业;

之后是VM映像管理器，其主要職责针对所有的VM映像信息进行对应的处理，包含VM核心版本和OS类型等等;

最后是存储节点，主要负责对VM映像和用户生成的各项数据和信息进行存储。

②支持集群系统虚拟化的性能优化

相关的学者和专家采用了多项技术对虚拟化集群系统的设计和构建方面进行了优化，以此实现高性能计算机系统，其主要特点如下：

首先，减小虚拟化技术运用带来的额外性能消耗，可以使用VMM-bypassI/O技术，可以使得相关的应用程序获取良好的通信性能。

其次，还可以采取定制OS技术的方式，能够在很大程度上降低高性能计算机系统的额外功耗情况。

（三）系统容错

伴随着高性能计算机系统在不同领域都得到了对应的应用，带来了较大的便利的同时，高性能计算机系统的故障概率也得到了比较大的提升，在这种情况下，传统的容错技术就难以满足计算机系统的可靠性方面的要求。针对这一问题，相关的专家和学者在原本的基础之上设计出了一种主动容错机制，在实际的应用过程中允许从失效节点迁移到健康的节点。总结下来，高性能计算机系统的主动容错主要包含以下三种机制;

首先是基于Xen的容错机制，VM在出错的情况下可以实现动态迁移，从而避免任务的中断和允许，并且可以实现所有的状态预先迁移到目标VM，在完成迁移之后，可以继续执行之后的任务运行;

其次是基于IPMI的节点失效预测，顾名思义就是可以预测某些未来事件的能力，在一定程度上促使高性能计算机系统具备了良好的智能化特点;

最后是基于Ganglia的负载平衡，使得所有的节点都能够获得整个集群系统的全局状态，进而带给用户更高的使用体验，也符合高性能计算机系统始终为用户进行服务的宗旨。

（四）虚拟化系统环境

虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，VSE的核心是VMM，可以实现对物理硬件资源的抽象化处理，具体的VSE虚拟化系统环境的应用如下：

VSE虚拟化系统环境的运用，可以支持相关的应用程序的早期原型开发工作，并且可以依据实际情况构建与目标系统一致的小型开发环境，后续开发出来的应用程序也可以直接在其中进行运行，并且不需要做任何的修改;

其次，VSE虚拟化系统环境还支持系统软件的开发和部署，简单来说，在虚拟化系统环境的帮助之下，相关的开发工作人员不需要卸载原来的操作系统就可以直接进行新系统的开发和测试。

二、虚拟化技术在高性能计算机系统中应用问题

（一）额外的性能开销问题

在虚拟化技术的应用，其中非常重要的一个问题就是会带来额外的性能消耗，不重视对其进行处理的情况下，还会导致相关的设备出现更高的访问延迟，而一些用户、领域之所以需要、应用高性能计算机系统，其主要原因在于需要其功能，而如果因为额外的性能开销问题出现设备访问延迟的现象，对于高性能计算机系统来说是难以接受的，因此在后续虚拟化技术的应用过程中，还需要重视高性能的需求，针对VMM进行持续性的优化和设计。

（二）多VMM高效协同问题

高性能计算机系统不同于传统的服务器虚拟技术，虚拟化的高性能计算机系统实际应用过程中，需要运用大量互相关联的VMM，并且VMM之间需要互相协同工作，进而构成高效的高性能计算机系统环境。但是目前来看，在高性能计算机系统实际应用过程中，多VMM同时的高效工作相对难以实现。

（三）大量VM的管理问题

高性能计算机系统在实际的应用过程中，为了支持其功能的实现，在一次的部署、工作过程中会运行大量的VM，由此就需要对大量VM进行高质量管理，这也是当代高性能计算机系统在实际的应用过程中需要重视的一个问题。

三、虚拟化技术在高性能计算机系统中应用前景分析

虚拟化技术已经在服务器和台式电脑中进行应用，而且取得了很好的效果和作用。但是在高性能计算机系统中的应用相对比较有限，但伴随着时间的推移和高性能计算机技术、虚拟化技术的发展，二者之间的结合会变得越来越紧密，所发挥的作用也是越來越大的，虚拟化技术的运用也可以为高性能计算机领域中的诸多问题提供一个良好的思路。总结下来，虚拟化技术在高性能计算机系统中应用前景会主要沿着以下几个方向进行发展;

（一）构建虚拟应用开发环境

对于高性能计算机系统来说，其具体的应用程序运行水平与实际的运算环境之间具有不可脱离的重要关系，在不同规模、不同质量的运行环境下，其具体运行效果也具有比较大的区别。未来的虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，可以在小规模系统上构建大规模的虚拟应用开发环境，从而使得应用程序可以在最接近最终运行环境的情况下进行开发和优化，开发出来的应用程序也可以更快、更方便地在大规模的高性能计算机系统中进行运用，这可以为相关的应用程序开发工作人员省去不少的麻烦，同时这一机制也可以在系统软件的开发和调试过程中进行运用，开发出来的系统软件和应用程序水平也会得到显著的提升，对于高性能计算机领域的发展也是极为重要的，需要给予高度的重视，并且意识到虚拟化技术的构建在虚拟应用开发环境中的重要前景。

（二）整合异构资源

随着时间的推移，无论是社会发展还是社会大众，其对于计算机的需求都有所提高，因此，后续的虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，其必然会朝向异构化的方向进行发展，而在这一过程中，虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，如何进行高效管理和使用异构系统是重点需要解决的问题。而需要知晓的是，虚拟化技术在整合异构资源方面具有很大的优势，有利于对底层异构硬件资源进行抽象化处理和管理，进而为高性能计算机系统的用户提供相对统一的系统环境，能够方便用户对异构系统进行使用。

（三）系统的可靠性和容错能力会得到较大的提升

时代在发展，科学技术也在不断进步，其重要表现之一就是高性能计算机系统的应用规模会不断扩大，其中部件的复杂程度也会不断提升，在这种情况下，高性能计算机系统的可靠性和容错能力方面可能会出现一定的缺失，这也是高性能计算机系统在实际应用过程中一直被诟病的主要原因之一。

因此，后续的虚拟化技术在高性能计算机系统的应用过程中，会使得系统的可靠性和容错能力得到比较大的提升，即便出现故障情况，也可以进行快速的恢复，不至于中断应用程度和软件的运行。

（四）系统安全性的提升

对于高性能计算机系统来说，其安全性方面是非常重要的一部分，高性能计算机系统中应用虚拟化技术，能够提供测试和互相隔离的一个重要平台，可以授权一个VM和加载到VM上的应用程序进行信用检查，包含病毒扫描等等，以此确保VM运行状态的正确性。

结论：综上所述，虚拟化技术对于高性能计算机系统的发展非常重要，虚拟化技术在高性能计算机系统中应用具备良好的发展前景，但同时也面临着诸多必须要解决的问题，包含性能额外开销、优化管理等等，因此在后续的发展过程中需要重视实践应用和开发，并且进行不断的优化和完善，这也是虚拟化技术在高性能计算机系统中应用的必然发展路径。

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