高性能計算的工作原理

高性能計算(HPC)利用超級計算機和并行處理技術(shù)，快速完成耗時較長的任務(wù)或同時完成多個任務(wù)。HPC市場既是一個傳統(tǒng)的市場，又是一個新興的、高速發(fā)展的市場。定位高端用戶、標(biāo)桿項目，影響力大、平民化趨勢、快速發(fā)展。

高性能計算的工作原理

在高性能計算中，處理信息的兩種主要方式為：串行處理，由中央處理器 (CPU) 完成。每個 CPU 核心通常每次只能處理一個任務(wù)。CPU 對于運行各種功能而言至關(guān)重要，如操作系統(tǒng)和基本應(yīng)用程序（如文字處理、辦公生產(chǎn)力工具等）。

并行處理，可利用多個 CPU 或圖形處理器 (GPU) 完成。GPU 最初是專為圖形處理而設(shè)計的。它可在數(shù)據(jù)矩陣（如屏幕像素）中同時執(zhí)行多種算術(shù)運算。同時在多個數(shù)據(jù)平面上工作的能力使 GPU 非常適合在機器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用任務(wù)中進行并行處理，如識別視頻中的物體。

突破超級計算的極限需要不同的系統(tǒng)架構(gòu)。大多數(shù)高性能計算系統(tǒng)通過超高帶寬將多個處理器和內(nèi)存模塊互連并聚合，從而實現(xiàn)并行處理。一些高性能計算系統(tǒng)將 CPU 和 GPU 結(jié)合在一起，被稱為異構(gòu)計算。 計算機計算能力的度量單位被稱為“FLOPS”（每秒浮點運算次數(shù)）。截至 2019 年初，現(xiàn)有的高端超級計算機可以執(zhí)行 143.5 千萬億次 FLOPS (143 × 1015)。此類超級計算機被稱為千萬億次級，可以執(zhí)行超過千萬億次 FLOPS。相比之下，高端游戲臺式機的速度要慢 1,000,000 倍以上，可執(zhí)行約 200 千兆次 FLOPS (1 × 109)。超級計算在處理和吞吐量方面的重大突破很快將會實現(xiàn)超級計算的下一個重大級別——百億億次級，該級別的速度比千萬億次級約快 1,000 倍。這意味著百億億次級超級計算機每秒將能夠執(zhí)行 1018（或者 10 億 x 10 億）次運算。

“FLOPS”是對理論處理速度的描述，實現(xiàn)該速度需要連續(xù)向處理器傳輸數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)設(shè)計必須考慮到數(shù)據(jù)吞吐量這一因素。系統(tǒng)內(nèi)存以及處理節(jié)點之間的互連會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鞯乃俣取?/p>

為了實現(xiàn)1百億億次級 FLOPS 的下一級超級計算機處理性能，大概需要 5,000,000 個臺式機。*假定每個臺式機具備 200 千兆次 FLOPS 的能力。

術(shù)語知識

高性能計算 (HPC)：一個廣義上的強大計算系統(tǒng)，其范圍涵蓋簡單計算機（如 1 個 CPU + 8 個 GPU），乃至世界一流的超級計算機

超級計算機：最先進的高性能計算機，以不斷提高的性能標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)

異構(gòu)計算：優(yōu)化串行 (CPU) 和并行 (GPU) 處理能力的高性能計算架構(gòu)

內(nèi)存：在高性能計算系統(tǒng)中為實現(xiàn)快速訪問而存儲數(shù)據(jù)的地方

互連：可令處理節(jié)點互相通信的系統(tǒng)層；在超級計算機中存在多個級別的互連

千萬億次級：為達到每秒執(zhí)行千萬億次 (1015) 運算而設(shè)計的超級計算機

百億億次級：為達到每秒執(zhí)行百億億次 (1018) 運算而設(shè)計的超級計算機

為什么要做高性能計算？

從系統(tǒng)的角度：集成系統(tǒng)資源，以滿足不斷增長的對性能和功能的要求

從應(yīng)用的角度：適當(dāng)分解應(yīng)用，以實現(xiàn)更大規(guī)?；蚋?xì)致的計算

解決問題：科學(xué)和工程問題的數(shù)值模擬與仿真（計算密集、數(shù)據(jù)密集、網(wǎng)絡(luò)密集、三種混合）。

審核編輯 ：李倩