英特爾聚力整合實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的異構(gòu)計(jì)算

接下來(lái)的超算普及化時(shí)代，英特爾將滿足永無(wú)止境的計(jì)算需求，并將可持續(xù)發(fā)展作為重中之重。

本文作者：Jeff McVeigh

英特爾副總裁兼超級(jí)計(jì)算事業(yè)部總經(jīng)理

隨著我們進(jìn)入E級(jí)(Exascale)計(jì)算時(shí)代并邁向Z級(jí)(Zettascale)計(jì)算時(shí)代，科技行業(yè)也越來(lái)越影響著全球的碳排放。據(jù)估計(jì)，到2030年數(shù)據(jù)中心的能耗估計(jì)將達(dá)到全球能源產(chǎn)量的3%-7%①，而計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施將成為新增用電量的主要驅(qū)動(dòng)因素。

今年，英特爾承諾到2040年實(shí)現(xiàn)全球業(yè)務(wù)的溫室氣體凈零排放，并開(kāi)發(fā)更加可持續(xù)的技術(shù)解決方案。在創(chuàng)造可持續(xù)未來(lái)的同時(shí)滿足對(duì)計(jì)算永無(wú)止境的需求，這是高性能計(jì)算(HPC)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。這個(gè)任務(wù)雖然艱巨，但如果我們能夠把芯片、軟件和系統(tǒng)這些HPC計(jì)算堆棧的每個(gè)部分都做好，它就是可以實(shí)現(xiàn)的。

我在德國(guó)漢堡舉行的2022國(guó)際超算大會(huì)(ISC2022)上發(fā)表了主題演講，上述內(nèi)容就是我在演講中傳達(dá)的核心信息。

從芯片和異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)開(kāi)始

英特爾公布了直到2024年的高性能計(jì)算產(chǎn)品路線圖，期間我們將致力于提供多樣化的異構(gòu)架構(gòu)。這些架構(gòu)不僅將使我們能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升，同時(shí)亦可降低通用工作負(fù)載及諸如人工智能、加密、分析等新興工作負(fù)載的能耗。

以內(nèi)置高帶寬內(nèi)存(HBM)，代號(hào)為Sapphire Rapids的英特爾至強(qiáng)處理器為例，該款處理器能夠很好地展示我們?nèi)绾卫孟冗M(jìn)的封裝技術(shù)和芯片創(chuàng)新，為高性能計(jì)算帶來(lái)性能、帶寬和節(jié)能方面的顯著提升。通過(guò)封裝高達(dá)64GB的高帶寬內(nèi)存HBM2e并把加速器集成到CPU中，我們能夠釋放內(nèi)存敏感型工作負(fù)載的潛力，為這些關(guān)鍵的高性能計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景大幅提升性能。在對(duì)比第三代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器和即將推出的內(nèi)置高帶寬內(nèi)存(HBM)的Sapphire Rapids處理器時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，后者把氣候研究、能源、制造和物理學(xué)工作負(fù)載的性能提升了2-3倍②。在主題演講中，Ansys首席技術(shù)官Prith Banerjee還展示了內(nèi)置高帶寬內(nèi)存的Sapphire Rapids為Ansys Fluent和ParSeNet的實(shí)際工作負(fù)載帶來(lái)了高達(dá)2倍的性能提升③。

為實(shí)現(xiàn)跨HPC和AI超算工作負(fù)載的幾個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升，計(jì)算密度是另一必不可少的要素。代號(hào)為Ponte Vecchio的英特爾首個(gè)旗艦級(jí)數(shù)據(jù)中心圖形處理器(GPU)，已經(jīng)在復(fù)雜的金融服務(wù)應(yīng)用以及AI推理和訓(xùn)練工作負(fù)載方面展現(xiàn)出了卓越的優(yōu)勢(shì)。

創(chuàng)新不止于此。今天，我們還宣布這款出色數(shù)據(jù)中心GPU的下一代產(chǎn)品代號(hào)為Rialto Bridge。通過(guò)升級(jí)Ponte Vecchio架構(gòu)，并結(jié)合使用下一代制程節(jié)點(diǎn)技術(shù)制造的增強(qiáng)型芯片子模塊，Rialto Bridge將大幅提高計(jì)算密度、性能和效率，同時(shí)提供軟件一致性。

展望未來(lái)，F(xiàn)alcon Shores是我們路線圖中下一個(gè)重要的架構(gòu)創(chuàng)新，即把x86 CPU和Xe GPU集成在同一插槽中。這一架構(gòu)計(jì)劃將在2024年推出，它將在每瓦性能、計(jì)算密度、內(nèi)存容量與帶寬方面均實(shí)現(xiàn)超過(guò)5倍的性能提升④。

成功的軟件戰(zhàn)略遵循三個(gè)原則：

開(kāi)放、選擇、信任

如果沒(méi)有軟件為芯片注入活力，它將僅僅只是砂礫。英特爾的軟件策略是促進(jìn)整個(gè)堆棧的開(kāi)放式發(fā)展，并提供工具、平臺(tái)和軟件IP，以幫助開(kāi)發(fā)者提升工作效率，產(chǎn)出可擴(kuò)展、更高性能、更高效的代碼，這些代碼能充分利用最新的芯片創(chuàng)新，沒(méi)有重構(gòu)代碼的負(fù)擔(dān)。oneAPI行業(yè)計(jì)劃為HPC開(kāi)發(fā)者提供了跨架構(gòu)編程，使代碼能透明、可遷移地適用于CPU、GPU和其他專用加速器。

目前，在世界各地領(lǐng)先的科研和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中已有20多個(gè)oneAPI卓越中心(CoE)，它們正取得重要的進(jìn)展。例如，布里斯托大學(xué)科學(xué)系的Simon McIntosh-Smith和他的團(tuán)隊(duì)，正在使用oneAPI和Khronos Group的SYCL抽象層進(jìn)行跨架構(gòu)編程，為在E級(jí)計(jì)算規(guī)模上實(shí)現(xiàn)性能可移植性開(kāi)發(fā)最佳實(shí)踐。他們的工作將確?？茖W(xué)代碼能在大規(guī)模異構(gòu)超算系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高性能。

聚力整合：實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的異構(gòu)計(jì)算

隨著數(shù)據(jù)中心和HPC工作負(fù)載越來(lái)越多采用分布式架構(gòu)和異構(gòu)計(jì)算，我們需要借助工具來(lái)幫助有效管理和應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的計(jì)算環(huán)境。

今天，我們將推出一款開(kāi)源解決方案Intel XPU Manager，它可以在本地或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理英特爾數(shù)據(jù)中心GPU。該解決方案旨在簡(jiǎn)化管理，并通過(guò)綜合診斷更好地實(shí)現(xiàn)可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，以及提升利用率并支持固件更新。

針對(duì)能耗很高的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)任務(wù)，分布式異步對(duì)象存儲(chǔ)(DAOS)文件系統(tǒng)提供了系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化。DAOS可以顯著地改善文件系統(tǒng)的性能，它不僅可以縮短整體訪問(wèn)時(shí)間，而且能夠降低存儲(chǔ)所需的容量，從而減少數(shù)據(jù)中心的占用空間并提高能源效率。相比于Lustre在I/O500中的測(cè)試結(jié)果，DAOS實(shí)現(xiàn)了直接寫(xiě)入文件系統(tǒng)性能70倍⑤的提升。

應(yīng)對(duì)HPC的可持續(xù)性挑戰(zhàn)

我們很榮幸能夠與全球志同道合的客戶和行業(yè)領(lǐng)先的科研機(jī)構(gòu)合作，朝著實(shí)現(xiàn)更具可持續(xù)性和開(kāi)放性的高性能計(jì)算而努力。我們近期取得了一系列成果——我們與巴塞羅那超算中心合作建立了開(kāi)創(chuàng)性的RISC-V Z級(jí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室;并與劍橋大學(xué)和戴爾繼續(xù)合作，將當(dāng)前的E級(jí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步打造成為新的劍橋Z級(jí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。

獨(dú)木難支，完整生態(tài)的構(gòu)建需要在制造、芯片、互連、軟件和系統(tǒng)等各方面攜手共進(jìn)。通過(guò)與整個(gè)生態(tài)的協(xié)作，我們致力于將本世紀(jì)最大的HPC挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為前所未有的機(jī)遇，創(chuàng)造改變世界的技術(shù)，讓未來(lái)更美好。

注意事項(xiàng)與免責(zé)聲明：

①《對(duì)2020年至2030年期間全球計(jì)算機(jī)的一次能源使用、電力使用和二氧化碳排放及其所占份額的假設(shè)》，作者：Anders S.G. Andrae，《WSEAS電力系統(tǒng)匯刊》，15(2020)

②測(cè)量依據(jù)如下：

CloverLeaf

由英特爾于2022年4月26日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)鉑金8360Y CPU，72個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB DDR4 3200MT/s)，SE5C6200.86B.0021.D40.2101090208，Ubuntu 20.04，Kernel 5.10，0xd0002a0，ifort 2021.5，Intel MPI 2021.5.1，編譯器參數(shù)：-xCORE-AVX512-qopt-zmm-usage=high

由英特爾于2022年4月19日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，40個(gè)以上內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存128GB(HBM2e以3200MHz的頻率運(yùn)行)，BIOS版本EGSDCRB1.86B.0077.D11.2203281354，ucode版本=0x83000200，CentOS Stream 8，Linux版本5.16，ifort 2021.5，Intel MPI 2021.5.1,編譯器參數(shù)：-xCORE-AVX512–qopt-zmm-usage=high

OpenFOAM

由英特爾于2022年1月26日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)鉑金8380 CPU，80個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB 3200MT/s，雙面)，BIOS版本SE5C6200.86B.0020.P23.2103261309，0xd000270，Rocky Linux 8.5 ，Linux版本4.18.，OpenFOAMv1912，Motorbike 28M@250次迭代;編譯說(shuō)明：工具：Intel Parallel Studio 2020u4，編譯器參數(shù)：-O3-ip-xCORE-AVX512

由英特爾于2022年1月26日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，40個(gè)以上內(nèi)核，超線程關(guān)閉，睿頻關(guān)閉，總內(nèi)存128GB(HBM2e以3200MHz的頻率運(yùn)行)，試生產(chǎn)的平臺(tái)和BIOS，CentOS 8，Linux版本5.12，OpenFOAMv1912，Motorbike 28M@250次迭代;編譯說(shuō)明：工具：Intel Parallel Studio 2020u4，編譯器參數(shù)：-O3-ip-xCORE-AVX512

WRF

由英特爾于2022年5月3日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)8380 CPU，80個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB 3200MT/s，雙面)，BIOS版本SE5C6200.86B.0020.P23.2103261309，ucode版本=0xd000270，Rocky Linux 8.5，Linux版本4.18，WRF v4.2.2

由英特爾于2022年5月3日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，40個(gè)以上內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存128GB(HBM2e以3200MHz的頻率運(yùn)行)，BIOS版本EGSDCRB1.86B.0077.D11.2203281354，ucode版本=0x83000200，CentOS Stream 8，Linux版本5.16，WRF v4.2.2

YASK

由英特爾于2022年5月9日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)鉑金8360Y CPU，72個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB DDR4 3200MT/s)，SE5C6200.86B.0021.D40.2101090208，Rocky linux 8.5，Kernel 4.18.0，0xd000270，編譯器參數(shù)：make-j YK_CXX='mpiicpc-cxx=icpx' arch=avx2 stencil=iso3dfd radius=8,

由英特爾于2022年5月3日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，40個(gè)以上內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存128GB(HBM2e以3200MHz的頻率運(yùn)行)，BIOS版本EGSDCRB1.86B.0077.D11.2203281354，ucode版本=0x83000200，CentOS Stream 8，Linux版本5.16，編譯器參數(shù)：make-j YK_CXX='mpiicpc-cxx=icpx'arch=avx2 stencil=iso3dfd radius=8,

③Ansys Fluent

由英特爾于2022年2月測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)鉑金8380 CPU，80個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB 3200MT/s，雙面)，BIOS版本SE5C6200.86B.0020.P23.2103261309，ucode版本=0xd000270，Rocky Linux 8.5，Linux版本4.18，Ansys Fluent 2021 R2 Aircraft_wing_14m;編譯說(shuō)明：商業(yè)版本使用Intel 19.3編譯器和Intel MPI 2019u

由英特爾于2022年2月測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，40個(gè)以上內(nèi)核，超線程關(guān)閉，睿頻關(guān)閉，總內(nèi)存128GB(HBM2e以3200MHz的頻率運(yùn)行)，預(yù)生產(chǎn)的平臺(tái)和BIOS，CentOS 8，Linux版本5.12，Ansys Fluent 2021 R2 Aircraft_wing_14m;編譯說(shuō)明：商業(yè)版本使用Intel 19.3編譯器和Intel MPI 2019u8

Ansys ParSeNet

由英特爾于2022年5月24日測(cè)試。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)英特爾至強(qiáng)鉑金8380CPU，80個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存256GB(16x16GB DDR4 3200MT/s [3200 MT/s])，SE5C6200.86B.0021 .D40.2101090208，Ubuntu 20.04.1 LTS，5.10，ParSeNet (SplineNet)，PyTorch 1.11.0，Torch-CCL 1.2.0，IPEX 1.10.0，MKL (2021.4-Product Build 20210904)，oneDNN (V2.5.0)

由英特爾測(cè)試于2022年4月18日。1節(jié)點(diǎn)，2個(gè)早期的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器測(cè)試樣品，代號(hào)為Sapphire Rapids+HBM，112個(gè)內(nèi)核，超線程開(kāi)啟，睿頻開(kāi)啟，總內(nèi)存128GB(HBM2e 3200 MT/s)，EGSDCRB1.86B.0077.D11.2203281354，CentOS Stream 8，5.16，ParSeNet (SplineNet)，PyTorch 1.11.0，Torch-CCL 1.2.0，IPEX 1.10.0，MKL(2021.4-Product Build 20210904)，oneDNN(v2.5.0)

④Falcon Shores的性能目標(biāo)基于截至2022年2月相對(duì)于當(dāng)前平臺(tái)的預(yù)測(cè)。結(jié)果可能有所不同。

⑤結(jié)果可能有所不同。更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)io500和YouTube視頻《DAOS與Lustre的性能對(duì)比測(cè)試》

原文標(biāo)題：加速創(chuàng)新，打造更具可持續(xù)性和開(kāi)放性的HPC

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審核編輯：湯梓紅