基于集群的高性能計算技術(shù)在過去的二十年中將傳統(tǒng)的單機(jī)高性能計算趕下了神壇，其性能在二十年間也提升了成千上萬倍。根據(jù)預(yù)測，2018年到2020年之間，峰值性能為E(Exascale，相當(dāng)于1000PB)級的高性能計算產(chǎn)品將會問世，相當(dāng)于天河二號系統(tǒng)的33倍。目前，天河二號的峰值性能大約是33.83PFlops，在最新的全球高性能計算榜單上的峰值計算性能排名第一。但是，隨著高性能計算系統(tǒng)的性能不斷提升，系統(tǒng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸也發(fā)生了變化。北京大學(xué)信息學(xué)院計算機(jī)系副系主任陳一峯表示，系統(tǒng)可擴(kuò)展性和可靠性問題將是E級高性能計算系統(tǒng)上所關(guān)注的幾個核心問題之一。
高性能計算現(xiàn)在是百家爭鳴時代
陳一峯表示，目前的高性能計算仍舊處于高速發(fā)展期，是百家爭鳴的時代。“這串行計算領(lǐng)域，業(yè)界很容易就達(dá)成了共識，理論體系也相對固定?！彼f，“但高性能計算目前是應(yīng)用并行計算體系，而并行計算體系當(dāng)中就有多種不同的流派，象征計算機(jī)學(xué)科里面最高榮譽(yù)的圖靈獎就曾頒發(fā)給好幾個涉及到并行計算領(lǐng)域的項目。也就是說，現(xiàn)在在學(xué)界也沒有在并行計算領(lǐng)域形成共識，這就導(dǎo)致現(xiàn)在出來的硬件也是多種多樣，編程工具和語言也同樣是多種多樣。舉例，在眾核方面，就有大小核之分;在存儲上，有多層次的存儲級別之分;這都意味著高性能計算今后會越來越復(fù)雜?！?/P>
北京大學(xué)信息學(xué)院計算機(jī)系副系主任陳一峯
顯然，百家爭鳴意味著不同的技術(shù)路線，也意味著更多選擇，但陳一峯首先強(qiáng)調(diào)，高性能計算的體系結(jié)構(gòu)最終還是需要通用?！案咝阅苡嬎愕耐度胩貏e大，這需要衡量好社會效率和經(jīng)濟(jì)效益。英特爾不僅會聽取我們的意見，也會聽取很多其他用戶的意見，從而以最好的工程實(shí)現(xiàn)來造出符合大部分人需求的高性能芯片，實(shí)現(xiàn)社會效益的最大化。因此，這就要求我們把現(xiàn)有的機(jī)器理解透徹，竭力用好?！彼f，“這也意味著應(yīng)用需要根據(jù)硬件的發(fā)展步驟進(jìn)行必要的調(diào)整?！?/P>
以“有限元”運(yùn)算為例，這是將本來規(guī)則化的東西變成不規(guī)則了，其目的是減少計算量。但是，在新的并行體系結(jié)構(gòu)下，把規(guī)則的變成不規(guī)則的會有額外的代價，很可能會導(dǎo)致從數(shù)學(xué)上看的計算量在減小，但實(shí)際映射到機(jī)器當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)算要比原來慢很多。因此，在高性能計算的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以后，這意味著計算的假設(shè)已經(jīng)發(fā)生了變化，這就需要學(xué)科在新的假設(shè)下研究數(shù)學(xué)方法。
再回到最開始的E級高性能計算機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大之后，如何讓應(yīng)用匹配如此大規(guī)模的集群架構(gòu)，讓性能保持相應(yīng)增長，這是業(yè)界最關(guān)心的核心問題之一。換言之，需要研究應(yīng)用哪些不同的方法，使得在擴(kuò)大了系統(tǒng)規(guī)模之后仍舊能夠高效利用系統(tǒng)的資源。其次，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大之后，也很可能會開發(fā)出新的計算方法和模式來提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
高性能計算軟硬發(fā)展依舊不同步
相對高性能計算在硬件方面的飛速發(fā)展，高性能計算在軟件編程和人才培養(yǎng)方面就顯得有些滯后了。陳一峯表示，軟件發(fā)展跟不是硬件發(fā)展確實(shí)是一大挑戰(zhàn)，但這并不是軟件技術(shù)開發(fā)或者編程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)展慢，而是硬件發(fā)展太快——在硬件方面，現(xiàn)在是幾個月推出一個新產(chǎn)品，而且其特點(diǎn)也不斷更新，會有不同的模型、不同的架構(gòu)、不同的產(chǎn)品鏈，做計算機(jī)的都需要有一段時間來理解和消化，才能將其用好，傳遞到最終用戶的應(yīng)用端，需要的時間可能會會更長。
英特爾中國公司軟件與服務(wù)集團(tuán)客戶響應(yīng)團(tuán)隊經(jīng)理喬楠
英特爾中國公司軟件與服務(wù)集團(tuán)客戶響應(yīng)團(tuán)隊經(jīng)理喬楠表示，高性能計算服務(wù)器集群當(dāng)中所應(yīng)用的處理器從單核發(fā)展到雙核、四核到多核，甚至到現(xiàn)在的眾核，一方面是核數(shù)在增加，另一方面是每一個核的復(fù)雜度在提升，跟內(nèi)存打交道的部件也在變得越來越復(fù)雜。英特爾也在盡可能彌補(bǔ)硬件發(fā)展過快導(dǎo)致的軟件問題。首先，是在人才培養(yǎng)方面投入資源。英特爾的大學(xué)合作部組織了很多多核培訓(xùn)，面向大學(xué)教師提供多核的基本培訓(xùn)內(nèi)容和材料，用于相應(yīng)的課程教學(xué)中;同時，英特爾也提供了一些專才培養(yǎng)課程，例如商業(yè)領(lǐng)域中的地震資料處理、DCC動漫渲染等。其次，英特爾提供了很多工具來幫助開發(fā)者降低開發(fā)成本，提升開發(fā)效率。這些工具包括VTune、Thread Profiler等多線程的工具、多進(jìn)程的工具，集群工具等等，這些在MIC上的工具和在CPU上的工具是統(tǒng)一的，這可以打通所有的環(huán)節(jié)。再次，英特爾會從硬件的角度盡可能讓它們?nèi)ト诤?，?shí)現(xiàn)指令集完全兼容，從編譯器的角度把指令集的不同給屏蔽掉，應(yīng)用本身來捕捉硬件平臺的不同來自動適應(yīng)，這方面也在不斷發(fā)展。最后，有賴于各方努力，共同呼吁來組織活動來培養(yǎng)人才。