軍事設(shè)計(jì)師為什么需要高性能計(jì)算

作者：Steve Travis，Chassis Plans 技術(shù)和商業(yè)顧問

多年來，軍方對高性能計(jì)算 (HPC) 平臺的需求不斷增長。過去，生成 PB 級數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)收集活動（例如衛(wèi)星成像或無人機(jī) (UAV) 傳感器饋送）可能需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天的處理時(shí)間，或者在遙遠(yuǎn)的位置發(fā)送和處理，從而浪費(fèi)寶貴的時(shí)間. 通過提供并行處理技術(shù)來解決加固平臺中的復(fù)雜計(jì)算問題，HPC 計(jì)算機(jī)可以部署到“戰(zhàn)區(qū)”位置，并徹底改變了當(dāng)今作戰(zhàn)人員的數(shù)據(jù)采集和分析。

高性能計(jì)算 (HPC) 利用并行而非串行處理來運(yùn)行高級軟件應(yīng)用程序。它用于通過使用計(jì)算機(jī)建模、模擬和分析來解決高級數(shù)學(xué)計(jì)算和執(zhí)行數(shù)據(jù)處理。HPC 系統(tǒng)通過其獨(dú)特的同步并行處理能力提供持續(xù)的性能。

大多數(shù) HPC 系統(tǒng)都是圍繞單 CPU 或雙 CPU 以及一個(gè)或多個(gè)圖形處理單元 (GPU) 構(gòu)建的。GPU 在 HPC 性能中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兛梢猿袚?dān)最極端的計(jì)算，讓 CPU 來完成運(yùn)行操作系統(tǒng)和基本系統(tǒng)應(yīng)用程序的幕后工作。

CPU 和 GPU 之間的內(nèi)核差異：每個(gè) GPU 可以提供比典型多核處理器多數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)內(nèi)核。

CPU 由最適合用于串行處理的幾個(gè)內(nèi)核組成，而 GPU 包含數(shù)千個(gè)小內(nèi)核，這些內(nèi)核設(shè)計(jì)用于在大規(guī)模并行架構(gòu)中處理線程數(shù)據(jù)。這些核心中的每一個(gè)都可以同時(shí)與數(shù)千個(gè)其他核心并行處理小塊數(shù)據(jù)。復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算可以被分解、求解，然后以指數(shù)速度比基于串行多核的 CPU 計(jì)算機(jī)更快地重新組合。當(dāng)與為利用并行處理而編寫的軟件結(jié)合使用時(shí)，與串行處理相比，性能可以提高 12 倍到 40 倍甚至更高。

全新機(jī)箱計(jì)劃加固型機(jī)架式 5U 機(jī)箱可在單個(gè)封裝中支持多達(dá) 4 個(gè) NVIDIA Tesla GPU，以實(shí)現(xiàn)高性能圖形處理。

主要優(yōu)勢：

地理空間智能：使用專門設(shè)計(jì)的軟件和 HPC 系統(tǒng)，可以在幾秒鐘內(nèi)而不是過去的幾天內(nèi)繪制大面積地圖。繪制城市等大區(qū)域的地圖涉及能夠提取、表示、建模和解釋衛(wèi)星圖像特征的高級算法?；?GPU 的系統(tǒng)的并行處理能力允許算法以極快的速度處理圖像。例如，今天基于 GPU 的系統(tǒng)和軟件可以使用衛(wèi)星圖像在不到 20 秒的時(shí)間內(nèi)詳細(xì)繪制一個(gè) 200 平方英里的城市，包括所有建筑物和道路。

視頻和圖像處理：一臺速度極快的雙 CPU 計(jì)算機(jī)可以僅以每秒 15 幀左右的速度分析單個(gè)高清 (1080p) 視頻流。通過在服務(wù)器平臺上僅添加一個(gè) GPU，它將使視頻處理軟件的速度提高 12 倍。這個(gè)數(shù)字也可以通過向計(jì)算機(jī)添加額外的 GPU 來增加。這種并行處理能力的提升可以將分析 24 小時(shí)高清 (1080p) 視頻所需的時(shí)間減少到 1 小時(shí)以下。這使軍方能夠以更快的速度和更高的準(zhǔn)確性識別安全威脅或感興趣的目標(biāo)。

圖像增強(qiáng)：HPC 系統(tǒng)可用于圖像增強(qiáng)應(yīng)用，以揭示衛(wèi)星或無人機(jī)圖像中先前隱藏的數(shù)據(jù)。并行處理允許使用實(shí)時(shí)圖像穩(wěn)定和增強(qiáng)技術(shù)來清理視頻源。將這些計(jì)算機(jī)部署在現(xiàn)場，而不必將數(shù)據(jù)傳輸或傳輸回遠(yuǎn)程位置以進(jìn)行進(jìn)一步分析，增加了一個(gè)可以實(shí)時(shí)處理和理解信息的新維度。

HPC 系統(tǒng)利用軟件進(jìn)行圖像增強(qiáng)，例如正射校正（修改圖像以獲得地形浮雕并校正鏡頭的失真和相機(jī)傾斜）和“全景銳化”，通過組合生成高質(zhì)量、高分辨率的圖像高分辨率黑白圖像和中等分辨率彩色圖像。這兩種技術(shù)都需要大量的數(shù)學(xué)處理，并且需要超級計(jì)算機(jī)類型的處理能力。僅使用 CPU，此類過程可能需要幾分鐘到幾小時(shí)才能完成。與僅基于 CPU 的系統(tǒng)相比，HPC/GPU 解決方案可以將這些算法的正射校正速度提高 12 倍，將全色銳化速度提高 40 倍。

加固型 HPC在過去的 18 年中，Chassis Plans設(shè)計(jì)了加固型計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)滿足現(xiàn)場部署設(shè)備的軍用標(biāo)準(zhǔn)。加固領(lǐng)域側(cè)重于沖擊、振動、溫度以及吹沙和揚(yáng)塵。所有系統(tǒng)外殼均由鋁制成，具有強(qiáng)度和重量減輕的特性?？擅芊獾那伴T可保護(hù)系統(tǒng)控制并包括現(xiàn)場可更換/可清潔的空氣過濾器。

在內(nèi)部，一個(gè)壓緊支架從多個(gè)點(diǎn)固定所有 GPU 板，使板穩(wěn)定在其插槽中。電纜組件經(jīng)過仔細(xì)布線以確保沒有摩擦，并且內(nèi)置服務(wù)回路以避免電纜連接的張力并實(shí)現(xiàn)最大的氣流路由。

新型機(jī)箱計(jì)劃 M5U-22 高性能計(jì)算機(jī)基于堅(jiān)固的 5U 外殼，旨在滿足各種地面、車輛、船上和飛機(jī)安裝的環(huán)境要求。

Chassis Plan 的專利Syscool 熱管理系統(tǒng)用于精確控制系統(tǒng)溫度，由熱管理板、高平均無故障時(shí)間 (MTBF) 冷卻風(fēng)扇和實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi)部溫度的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)組成并相應(yīng)地調(diào)整風(fēng)扇速度。

SWaP 優(yōu)勢SWaP 是“尺寸、重量和功率”的軍用首字母縮寫詞，是當(dāng)今軍隊(duì)非常重要的產(chǎn)品特性。通過將最新的 GPU 技術(shù)引入堅(jiān)固耐用的平臺，可以實(shí)現(xiàn)多種 SWaP 優(yōu)勢。SWaP 的所有三個(gè)要素都會因減少應(yīng)用程序所需的部署計(jì)算機(jī)數(shù)量而受到影響，從而釋放寶貴的機(jī)架空間。?

物理計(jì)算機(jī)的減少會降低整個(gè)平臺的重量，這可能意味著減少數(shù)百磅。節(jié)電也可以減少數(shù)千瓦。在比較尺寸、重量和功率優(yōu)勢時(shí)，HPC 配置顯然是贏家。

通過專門的工程和產(chǎn)品支持，Chassis Plans可以根據(jù)客戶的具體應(yīng)用提供平臺解決方案。這一過程始于了解客戶對各種應(yīng)用的環(huán)境要求，從陸基車輛、船上應(yīng)用到飛機(jī)應(yīng)用。

通過對多種COTS硬件路徑進(jìn)行各種機(jī)械和電氣更改和升級，客戶可以與工程團(tuán)隊(duì)協(xié)商，定制高性能混凝土解決方案，最大限度地提高性能、耐用性和價(jià)格點(diǎn)。最終系統(tǒng)有五年保修期。

審核編輯 黃昊宇