HPC走出全新路線：《開放架構(gòu)HPC技術(shù)與生態(tài)白皮書》注解

文|智能相對論

作者|葉遠風

數(shù)字經(jīng)濟大時代，創(chuàng)新驅(qū)動大環(huán)境，HPC已不再是陽春白雪，而受到越來越多人的關(guān)注。

HPC，即High Performance Computing，高性能計算。對普通人來說，沒有聽過HPC，但肯定都聽過超級計算機，它就是HPC的主要實現(xiàn)方式之一。

對越來越需要高復(fù)雜度計算的學界與產(chǎn)業(yè)界來說，HPC的重要性不言而喻。

最近，2022 CCF全國高性能計算學術(shù)年會（CCF HPC China 2022）在線上舉辦，吸引了國內(nèi)外學界、產(chǎn)業(yè)界眾多專家、從業(yè)者參會。

CCF HPC China是HPC領(lǐng)域全球最有影響力的三大超算盛會，另外兩家分別是德國的ISC超算盛會、美國的SC超算盛會。

最前沿的學術(shù)成果匯聚與交流，為HPC的發(fā)展再添了一把火。

這次會上，《開放架構(gòu) HPC 技術(shù)與生態(tài)白皮書》（以下簡稱“白皮書”）發(fā)布，有關(guān)全球HPC最新發(fā)展狀況與發(fā)展動向被闡明。

值得注意的是，ARM指令集兼容架構(gòu)登上HPC舞臺，展示出“皇冠上的明珠”般璀璨的光芒。

ARM指令集兼容的HPC進入全球大發(fā)展時代

從時間上看，HPC并不是新的字眼，畢竟超級計算機的發(fā)展已經(jīng)有數(shù)十年了。但HPC始終保持著旺盛的活力。

如今的HPC，在算力上已經(jīng)進入了E級時代。

這個時代與過去有著顯著的不同：

ARM 指令集兼容的架構(gòu)成為HPC的主要路線之一，用于支撐起E級算力的要求。

HPC的計算芯片也從過去十幾年基于一種或幾種完全封閉的指令集，走向由不同廠家生產(chǎn)、但指令集能夠兼容的產(chǎn)品所構(gòu)成。

“ARM”成為一種共同遵循的標準，而不具體指代某個下場參與HPC的產(chǎn)品。

HPC的參與者變得更加自主，HPC的實現(xiàn)方式也能夠創(chuàng)新頻出。

于是，指令集兼容、差異化實現(xiàn)、可自由演進，這種架構(gòu)也就是白皮書提到的“開放架構(gòu)”，能夠百花齊放，不斷適應(yīng)市場需要。

如同生物界的進化，HPC這種走向“開放架構(gòu)”的進化，也是“自然選擇”的結(jié)果。白皮書提到，廠家、生態(tài)及產(chǎn)業(yè)鏈伙伴持續(xù)多年的戰(zhàn)略定位、技術(shù)與投資，造就了ARM指令集兼容HPC的繁榮。

這背后的動因，是ARM 指令集在HPC方面相對傳統(tǒng)架構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。

芯片性能不斷提高且更多核心支持的特點更適合HPC大規(guī)模并行的發(fā)展趨勢，同樣的體積能部署更多的算力，魚和熊掌兼得；

完善的指令集在HPC的特殊工作負載上有優(yōu)勢，且加強了對矢量、矩陣計算等工作的支持；

訪存性能更強，計算足夠優(yōu)秀還不忘與其他配套設(shè)施打好配合；

……

當然，專門的安全模塊所帶來的安全性同樣十分重要。

全球主要算力高地，都在將ARM 指令集兼容架構(gòu)融入到國家高性能計算建設(shè)戰(zhàn)略當中：

無論中國的高性能專項，還是日本 FLAGSHIP 2020 計劃，以及歐洲的EuroHPC計劃，都做了基于ARM指令集的超算系統(tǒng)。美國的Venado等超級計算機也宣告ARM指令集兼容成為美國超算建設(shè)的一個方向之一。

ARM指令集兼容的HPC，正在高歌猛進。

從技術(shù)、生態(tài)到產(chǎn)業(yè)落地，中國HPC再現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢

短短十年間，憑借全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，中國在很多前沿技術(shù)上由跟隨者變成了探索者。

在ARM指令集兼容的HPC這里，這一優(yōu)勢再度彰顯。

從白皮書來看，無論是技術(shù)創(chuàng)新、生態(tài)共建還是產(chǎn)業(yè)落地，中國在HPC的新發(fā)展方向上都表現(xiàn)出全面進發(fā)的態(tài)勢。

有底層的技術(shù)發(fā)展驅(qū)動力，有生態(tài)平臺推動枝繁葉茂，有產(chǎn)業(yè)落地讓價值坐實最終反饋到技術(shù)與生態(tài)，全鏈條形成了一個不斷自增強的發(fā)展循環(huán)。

首先，在技術(shù)上，ARM 指令集兼容HPC所需要的多層次內(nèi)容已經(jīng)趨近完善，一個從行業(yè)宏觀視角看的“全?！奔夹g(shù)體系在走向成熟。

硬件方面，國內(nèi)基于 ARM 指令集兼容架構(gòu)的服務(wù)器芯片廠商出現(xiàn)了包括華為的鯤鵬、飛騰、阿里平頭哥等在內(nèi)的典型廠商。

系統(tǒng)層，國內(nèi)擁有openEuler開源操作系統(tǒng)、銀河麒麟等操作系統(tǒng)，對鯤鵬、飛騰芯片已經(jīng)實現(xiàn)了很好的適配，并在行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

編譯層，華為的畢昇編譯器面向鯤鵬處理器進行了深度優(yōu)化，實現(xiàn)了較高的性能，此外，國防科大編譯團隊的“天鷹編譯系統(tǒng)”則專門面向飛騰處理器進行了優(yōu)化。它們在能力上已經(jīng)能夠?qū)嗽趪鴥?nèi)外服務(wù)器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的亞馬遜編譯器、Ampere 編譯器等。

平臺層，國內(nèi)目前代表產(chǎn)品有鯤鵬應(yīng)用使能套件 Kunpeng BoostKit 和鯤鵬開發(fā)套件 Kunpeng DevKit，前者主要幫助開發(fā)者實現(xiàn)應(yīng)用的極致性能，讓各種場景的開發(fā)者都能獲得特定的、與硬件性能匹配的增益；后者主要幫助開發(fā)者實現(xiàn)極簡開發(fā)，開發(fā)出鯤鵬親和的高性能軟件，加速原生開發(fā)效率。

在最后的應(yīng)用層，面向電磁仿真、材料計算、分子動力學、生物信息、計算物理、氣候氣象、金融分析等不同領(lǐng)域，不同的行業(yè)應(yīng)用不斷產(chǎn)生。

例如，在氣候海洋領(lǐng)域，典型開源軟件WRF已經(jīng)在基于飛騰處理器的天河系統(tǒng)、基于鯤鵬處理器的HPC系統(tǒng)上運行，有效幫助氣候預(yù)測、規(guī)避氣象災(zāi)害。

在醫(yī)學影像領(lǐng)域，鯤鵬平臺已適配常用圖像處理軟件，隨著醫(yī)學影像庫的數(shù)據(jù)規(guī)模達到 TB 級，HPC將發(fā)揮重要價值。

其次，在生態(tài)上，越來越多的產(chǎn)業(yè)伙伴在加入屬于中國的ARM指令集兼容HPC陣營當中，這反過來又推動HPC的新趨勢在中國加速落地。

目前華為、飛騰兩家廠商的產(chǎn)品已經(jīng)收獲了越來越多的合作伙伴，為開放架構(gòu)HPC的廣泛應(yīng)用做好了準備。

其中，基于鯤鵬芯片的TaiShan系列服務(wù)器就推出有專門面向HPC的高性能型，全球已經(jīng)有 10 家整機廠商基于鯤鵬芯片推出自由品牌服務(wù)器，應(yīng)用在制造、交通、交通、金融等不同領(lǐng)域。

飛騰用于商業(yè) HPC 的服務(wù)器芯片達到了3款，背靠著企業(yè)本身超4500+生態(tài)伙伴與300余家集成商，在ARM 指令集兼容HPC領(lǐng)域同樣大有可為。

隨著華為將openEuler歐拉貢獻出去，更多的生態(tài)伙伴還在共同推動HPC基礎(chǔ)軟件的完善。

目前為止，面向企業(yè)級的開源操作系統(tǒng)歐拉已經(jīng)構(gòu)建起擁有全球開發(fā)者積極參與的操作系統(tǒng)開源社區(qū)，代碼倉庫逼近1萬，貢獻者超1.2萬，社區(qū)用戶已突破100萬。在這樣的基礎(chǔ)之上，歐拉累計裝機量達到245萬套，在服務(wù)器操作系統(tǒng)的新增市場份額不斷提升，為HPC的發(fā)展提供了更優(yōu)的操作系統(tǒng)選擇。

另外，麒麟軟件等數(shù)十家基礎(chǔ)軟硬件企業(yè)、非營利性組織、社團組織、高等院校、科研機構(gòu)和個人開發(fā)者共同創(chuàng)立了開源社區(qū) OpenKyling，這個社區(qū)也正在推動其 ARM指令集兼容架構(gòu)上的開放操作系統(tǒng)發(fā)布。

最后，是廣泛的市場讓ARM指令集兼容HPC能夠快速證明自己、產(chǎn)生價值，從而反哺技術(shù)與生態(tài)，更好地前行。

白皮書顯示，在中國，ARM 指令集兼容架構(gòu)已在多種類型的頭部客戶獲得深入成熟使用。

在高校，典型如上海交通大學上線了國內(nèi)高校首個基于鯤鵬的校級HPC系統(tǒng)，采用雙路鯤鵬處理器作為節(jié)點，為用戶提供18 款常用的高性能計算軟件，覆蓋材料科學、生命科學、大氣科學和流體力學 4 大HPC應(yīng)用領(lǐng)域，2021年4月開放至今服務(wù)了74 個課題組，計算作業(yè)數(shù)量超 100 萬個。

在超算中心方面，國家超級計算濟南中心、天津中心、長沙中心及武漢超算中心等都建設(shè)有基于鯤鵬處理的系統(tǒng)。

在制造業(yè)，某制造企業(yè)借助華為鯤鵬高性能解決方案擴容 HPC 仿真系統(tǒng)，滿足了業(yè)務(wù)高速擴展下的研發(fā)效率提升需求，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低設(shè)計成本。

在運營商賽道，浙江移動的大數(shù)據(jù)平臺充分發(fā)揮ARM 指令集兼容架構(gòu)的鯤鵬優(yōu)勢，打破了數(shù)據(jù)分析耗時瓶頸，提升了整體性能。

此外，在金融業(yè)，飛騰的ARM指令集兼容集群在金融業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，滿足了行業(yè)深刻的去IOE需要。

幾乎在所有需要計算的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，都在出現(xiàn)ARM指令集兼容HPC的蹤跡，并以其實際價值獲得了廣泛認同。

ARM指令集兼容，讓HPC走出全新路線

ARM指令集兼容，是HPC技術(shù)的一次“變調(diào)”。前述所有內(nèi)容，都在表明HPC產(chǎn)業(yè)界在這方面已經(jīng)做好了充分的準備，只待更多玩家的加入。

對HPC領(lǐng)域的參與者來說，下一步，在生態(tài)開放、技術(shù)自主的理念下，加入到ARM指令集兼容HPC路徑上來，共同推動這一生態(tài)加速發(fā)展、實現(xiàn)共贏，將成為更好的選擇。

*本文圖片均來源于網(wǎng)絡(luò)

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