不甘被中美日超越，歐盟終于在HPC上下血本

要說起超級計(jì)算機(jī)，多數(shù)人想到的都是日本的富岳、美國的Summit和中國的神威·太湖之光，卻很少想到歐洲市場。事實(shí)上TOP500中來自歐洲的超算系統(tǒng)也有113個(gè)，但能排進(jìn)前十的只有兩個(gè)，德國的JUWELS和意大利的HPC5，還分別名列第8和第9。

歐盟也意識(shí)到自己在HPC應(yīng)用上已經(jīng)開始落后，在未來的百萬兆級計(jì)算（Exascale）和量子運(yùn)算中很可能會(huì)繼續(xù)被拉開差距，靠單一成員國的資源很難打造頂級的HPC和超算系統(tǒng)。于是歐盟展開了多項(xiàng)計(jì)劃，并加大了合力投資。

比如著名的地平線2020計(jì)劃，如今該計(jì)劃已經(jīng)被替換成了新的7年科研資助計(jì)劃，歐洲地平線，從2021年持續(xù)至2027年。這一新計(jì)劃的總預(yù)算金額達(dá)到了955億歐元，比地平線2020的770歐元高出了一大截。不少HPC項(xiàng)目也從兩個(gè)計(jì)劃中受益。2018年歐洲高性能計(jì)算技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟（EuroHPC JU）成立，并拿到了10億歐元預(yù)算，其中一半來自歐盟，一半來自成員國，額外還有私人合作伙伴提供的4億歐元。

EuroHPC JU的目標(biāo)是支持歐洲的科研和創(chuàng)新活動(dòng)，打造歐洲的超算生態(tài)，購買或部署至少兩臺(tái)排名前5的超算。根據(jù)歐洲HPC技術(shù)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)，去年歐盟一共有50個(gè)HPC項(xiàng)目在進(jìn)行中，另有30個(gè)完成的項(xiàng)目。而到了今年，正在進(jìn)行的HPC項(xiàng)目已經(jīng)增加至68個(gè)，另有38個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)完成。筆者選取了其中最有看點(diǎn)的三個(gè)項(xiàng)目，以此來看看歐洲的HPC在軟硬件上的發(fā)展。

EuroExa——Arm+AMD+FPGA組成的Exascale超算平臺(tái)

EuroExa是一個(gè)由地平線2020計(jì)劃投資的項(xiàng)目，由16個(gè)組織機(jī)構(gòu)合作設(shè)計(jì)，其中也包括了英國Arm、巴薩羅那超算中心和比利時(shí)微電子研究中心IMEC這樣的HPC巨頭。該項(xiàng)目在成立后的52月內(nèi)，累計(jì)收到了2億歐元的投資，用于HPC軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和液體散熱等方面的研究。

EuroExa單個(gè)計(jì)算單元子板 / EuroExa

該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是打造歐洲未來的ExaScale超算系統(tǒng)，其算力最高可達(dá)400 PetaFLOPS，峰值系統(tǒng)功率達(dá)到30MW。從目前的排名來看，這套系統(tǒng)一旦建成后僅次于442 PetaFLOPS的日本富岳。同時(shí)該系統(tǒng)還兼顧高能效，EuroExa聲稱在未來半導(dǎo)體技術(shù)和架構(gòu)的迭代下，可以做到250PetaFLOPS/MW的能效。同時(shí)，他們想用這套緊致的系統(tǒng)證明一臺(tái)ExaScale可以做到30個(gè)集裝箱以下的大小，而邊到邊的長度也不會(huì)超過40米。

EuroExa將利用Arm Cortex和AMD的EPYC技術(shù)打造其處理器系統(tǒng)，并采用PetaFLOP級別算力的FPGA作為加速器，預(yù)計(jì)在2022年到2023年打造第一臺(tái)ExaScale級別的EuroExa系統(tǒng)。

eProcessor——開源的RISC-V HPC

eProcessor項(xiàng)目是基于RISC-V開源架構(gòu)，打造一個(gè)開源的亂序處理器，做到可擴(kuò)展、節(jié)能和大規(guī)模，非常適合HPC和HPDA應(yīng)用。該技術(shù)將利用高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)分析加速器與低功耗的64位亂序RISC-V處理器結(jié)合，支持多處理器超大型運(yùn)算系統(tǒng)。

eProcessor架構(gòu) / eProcessor
該項(xiàng)目為期三年，由巴塞羅那超算中心牽頭，法國設(shè)計(jì)公司Cortus負(fù)責(zé)核心設(shè)計(jì)，并已經(jīng)獲得了800萬歐元的資金投入。根據(jù)Cortus的說法，RISC-V處理器能在每周期指令書上輕松超過Intel/AMD采用的x86傳統(tǒng)架構(gòu)，通過緩存層次結(jié)構(gòu)上相結(jié)合的原子內(nèi)存操作優(yōu)化，大幅提高多線程應(yīng)用的性能，適合大型HPC系統(tǒng)上的各種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，比如深度學(xué)習(xí)和生物信息學(xué)等。

該項(xiàng)目從今年4月才正式開展，未來還會(huì)和合作伙伴已有的項(xiàng)目合作，比如EuroExa，從而進(jìn)一步擴(kuò)展他們的功能并提高技術(shù)成熟度。之所以選取RISC-V的原因，也是為了打造一個(gè)開放的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，能夠保證技術(shù)的獨(dú)立性。

Deep-SEA——解決異構(gòu)超算的挑戰(zhàn)

Deep-SEA項(xiàng)目是Deep-EST項(xiàng)目的下一階段，后者已經(jīng)在今年3月成功完成，并建立了一個(gè)模組化的超算架構(gòu)MSA。在MSA架構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)CPU、GPU加速器等不同的組件組成一個(gè)復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。每項(xiàng)技術(shù)都用于特定的負(fù)載，充分利用MSA的應(yīng)用可以達(dá)到更高的能耗/功率比。

模組化超算架構(gòu)MSA / Deep

然而系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)等級上的復(fù)雜系統(tǒng)很難做到出色的資源分配，并行化在傳統(tǒng)的HPC環(huán)境中更是顯得微不足道。因此異構(gòu)資源的復(fù)雜性使得用戶和應(yīng)用開發(fā)者開始力不從心，他們必須要理解底層硬件才能決定運(yùn)行哪段組件代碼。而且他們在采用新的加速器或是完全不同的HPC平臺(tái)時(shí)，必須得把代碼移植過來，更不用說對各種HPC系統(tǒng)的優(yōu)化了。

Deep-SEA正是為了解決這些問題而誕生的，它的目的是為了做到更好的管理和編程計(jì)算與存儲(chǔ)異構(gòu)資源，為模組化的超算實(shí)現(xiàn)更簡單的編程。為了給更多的HPC系統(tǒng)提供支持，并擴(kuò)展到未來ExaScale級之后的系統(tǒng)，Deep-SEA使用了聯(lián)合設(shè)計(jì)的方法，采用了7大領(lǐng)域的應(yīng)用來驗(yàn)證其選擇的方法，包括天氣預(yù)測、地震成像和分子力學(xué)等等。Deep-SEA同時(shí)與巴塞羅那超算中心和德國萊布尼茨超算中心展開研發(fā)，還與著名超算制造商源訊達(dá)成了合作。

結(jié)語

從上面的三個(gè)項(xiàng)目來看，在HPC和超算上，模組化和異構(gòu)已經(jīng)成了大趨勢。目前HPC的應(yīng)用除了傳統(tǒng)的氣候預(yù)測、生物醫(yī)學(xué)和材料學(xué)研究外，也多出了不少大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)。一味地去拼算力其實(shí)更像是一個(gè)拼芯片數(shù)和拼財(cái)力的過程，收獲優(yōu)秀的HPC架構(gòu)和完整的HPC生態(tài)才是這些項(xiàng)目的最終目的。