帶你了解什么是高性能計(jì)算（HPC）

受益于HPC更高的速度處理大量數(shù)據(jù)的能力，全球正在進(jìn)入HPC大周期，高性能計(jì)算的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力和高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，美國(guó)、歐盟、日本、英國(guó)都高度重視高性能計(jì)算的發(fā)展，并在國(guó)家層面設(shè)有專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)研究、制定高性能計(jì)算發(fā)展策略，我國(guó)也逐漸將高性能計(jì)算的發(fā)展提升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面。我國(guó)高性能計(jì)算在宇宙探索、氣候模擬、材料研發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，對(duì)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有不可替代的作用。

概述

HPC（High Performance Computing）高性能計(jì)算，是一種利用超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的理論、方法、技術(shù)以及應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)，構(gòu)建高性能計(jì)算系統(tǒng)的主要目的就是提高運(yùn)算速度，要達(dá)到每秒萬(wàn)億次級(jí)的計(jì)算速度，對(duì)系統(tǒng)的處理器、內(nèi)存帶寬、運(yùn)算方式、系統(tǒng)I/O、存儲(chǔ)等方面的要求都十分高。它通過(guò)聚合結(jié)構(gòu)，利用多臺(tái)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備，故具有高速處理能力、高性能網(wǎng)絡(luò)和大內(nèi)存容量的特點(diǎn)，能夠執(zhí)行大量并行處理，為探索科學(xué)、工程及商業(yè)領(lǐng)域中的重大難題提供強(qiáng)大支持。

特點(diǎn)

01. 高速計(jì)算能力
HPC系統(tǒng)能夠處理大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。

02. 大規(guī)模并行處理
HPC系統(tǒng)通常采用并行計(jì)算技術(shù)，將計(jì)算任務(wù)分成多個(gè)子任務(wù)并同時(shí)進(jìn)行處理，以提高計(jì)算效率。03. 大規(guī)模數(shù)據(jù)處理
HPC系統(tǒng)能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理和分析。04. 深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)
HPC系統(tǒng)在深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值，可以加速模型訓(xùn)練和推理過(guò)程。05. 高可靠性和穩(wěn)定性
HPC系統(tǒng)通常具有冗余設(shè)計(jì)和高可靠性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全性。06. 高能效性
HPC系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上通?？紤]了能效問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化硬件架構(gòu)和軟件算法等方式降低能耗，提高能效。

07. 高吞吐量
HPC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和處理的需求。

工作原理

在高性能計(jì)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(gè) CPU 核心通常每次只能處理一個(gè)任務(wù)。CPU 對(duì)于運(yùn)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，也就是一般家用及辦公電腦PC筆記本）。

并行處理，可利用多個(gè) CPU 或圖形處理器 (GPU) 完成。GPU 最初是專為圖形處理而設(shè)計(jì)的。它可在數(shù)據(jù)矩陣（如屏幕像素）中同時(shí)執(zhí)行多種算術(shù)運(yùn)算。同時(shí)在多個(gè)數(shù)據(jù)平面上工作的能力使 GPU 非常適合在機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 應(yīng)用任務(wù)中進(jìn)行并行處理，如識(shí)別視頻中的物體。（也就是多臺(tái)服務(wù)器一起并行處理）

突破超級(jí)計(jì)算的極限需要不同的系統(tǒng)架構(gòu)。大多數(shù)高性能計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)超高帶寬將多個(gè)處理器和內(nèi)存模塊互連并聚合，從而實(shí)現(xiàn)并行處理。一些高性能計(jì)算系統(tǒng)將 CPU 和 GPU 結(jié)合在一起，被稱為異構(gòu)計(jì)算。

具體工作原理如下：

1、集群配置：HPC 集群由多臺(tái)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)或節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)或多個(gè)處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)。2、任務(wù)并行化：計(jì)算工作被劃分為更小的、獨(dú)立的任務(wù)，這些任務(wù)可以在集群中的不同節(jié)點(diǎn)上同時(shí)運(yùn)行。這稱為任務(wù)并行化。3、數(shù)據(jù)分布：計(jì)算所需的數(shù)據(jù)分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，以便每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以處理。4、計(jì)算：每個(gè)節(jié)點(diǎn)并行執(zhí)行其部分計(jì)算，結(jié)果被共享并最終集成，直至工作完成。5、監(jiān)控和控制：集群包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)性能并控制任務(wù)和數(shù)據(jù)分配的軟件工具。這有助于確保計(jì)算高效運(yùn)行。6、輸出：最終輸出是集群中所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的綜合計(jì)算的結(jié)果。輸出通常保存到大型并行文件系統(tǒng)和/或以圖形方式呈現(xiàn)為圖像或其他視覺描述，以方便發(fā)現(xiàn)、理解和交流。

算力

HPC是利用聚集起來(lái)的計(jì)算能力來(lái)處理標(biāo)準(zhǔn)工作站無(wú)法完成的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算任務(wù)，我們一起來(lái)了解下何為算力。

1、FLOPS （每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)）FLOPS（每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)）是指計(jì)算機(jī)處理浮點(diǎn)運(yùn)算（帶有小數(shù)點(diǎn)的數(shù)字進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，需要考慮精度問(wèn)題和舍入誤差等問(wèn)題）的能力，它衡量的是計(jì)算機(jī)每秒能夠完成多少次浮點(diǎn)運(yùn)算。FLOPS是衡量計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算能力的指標(biāo)，通常用于衡量超級(jí)計(jì)算機(jī)、高性能計(jì)算服務(wù)器和圖形處理器（GPU）等的計(jì)算能力。例如，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的FLOPS為1 TFLOPS(1萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒)，意味著它每秒可以完成1萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算。

2、IPS （每秒指令數(shù)）IPS(每秒指令數(shù))是指計(jì)算機(jī)處理指令的速度，它衡量的是計(jì)算機(jī)每秒能夠執(zhí)行多少條指令。IPS是衡量計(jì)算機(jī)單指令性能的指標(biāo)，通常用于衡量中央處理器（CPU）等的性能。例如，一個(gè)CPU的IPS為3 GHz（每秒可以執(zhí)行3億次指令），意味著它每秒可以執(zhí)行3億次指令。3、TPS （每秒事務(wù)數(shù)）TPS（每秒事務(wù)數(shù)）是指計(jì)算機(jī)處理事務(wù)的能力，它衡量的是計(jì)算機(jī)每秒可以完成多少個(gè)事務(wù)。

通常用于衡量數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的性能。例如，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的TPS為1000，意味著它每秒可以處理1000個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)。

分類

一、HPC按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：

1、科學(xué)計(jì)算類

物理化學(xué)、氣象環(huán)保、生命科學(xué)、石油勘探、天文探測(cè)等。

例如生物科學(xué)上計(jì)算 DNA 序列、化學(xué)上有機(jī)化學(xué)分子計(jì)算、物理學(xué)中復(fù)雜的模型推演、數(shù)學(xué)中復(fù)雜的計(jì)算等等。

2、工程計(jì)算類

計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助制造、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、電磁仿真等。

基于現(xiàn)代力學(xué)理論的數(shù)值仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、船舶、機(jī)械、建筑、電子等行業(yè)領(lǐng)域。

3、智能計(jì)算類

人工智能計(jì)算，包括：機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等。

此外計(jì)算金融、國(guó)防科技、醫(yī)學(xué)成像、圖像編解碼、大數(shù)據(jù)分析等等各種領(lǐng)域都是 HPC 的用武之地。

二、HPC按應(yīng)用模式可分為：

1、計(jì)算密集型應(yīng)用

計(jì)算密集型應(yīng)用這種類型的HPC集群，主要針對(duì)的就是計(jì)算力，也就是在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中需要對(duì)收集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，例如氣象分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)分析、系統(tǒng)仿真等等，而HPC集群擁有十分強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠應(yīng)對(duì)這種強(qiáng)度很高的計(jì)算需求，滿足這些領(lǐng)域的計(jì)算要求。

2、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用

像圖書館、銀行、證券、稅務(wù)等行業(yè)雖然并不需要進(jìn)行很多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，但是因?yàn)樾袠I(yè)本身所具有的性質(zhì)，使用的系統(tǒng)當(dāng)中會(huì)擁有龐大的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)還在與日俱增，為了讓其得到更好的管理與應(yīng)用，也可以使用HPC集群，只不過(guò)需要使用的是數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用類型。

3、通信密集型應(yīng)用

通信技術(shù)是我們生活與工作中不可缺乏的一種技術(shù)類型，而且人們對(duì)此也越來(lái)越依賴，所以各種網(wǎng)站、信息中心、流媒體等行業(yè)通常會(huì)使用通信密集型的HPC集群應(yīng)用類型，可以讓連接在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作。

前景HPC高性能計(jì)算在未來(lái)有著廣闊的發(fā)展前景，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：處理能力不斷提升：隨著計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，HPC系統(tǒng)的處理能力將繼續(xù)提升，能夠處理更大規(guī)模、更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展：HPC在科學(xué)研究、工程仿真、生物信息學(xué)、金融等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?，涉及更多領(lǐng)域如醫(yī)療健康、氣候預(yù)測(cè)、智能制造等。人工智能與深度學(xué)習(xí)：隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)的興起，HPC系統(tǒng)將在這些領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，加速模型訓(xùn)練和推理過(guò)程，推動(dòng)人工智能技術(shù)的發(fā)展。量子計(jì)算的發(fā)展：量子計(jì)算作為下一代計(jì)算技術(shù)，有望在HPC領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化，可以解決傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)法處理的問(wèn)題，未來(lái)HPC系統(tǒng)與量子計(jì)算的結(jié)合將為計(jì)算能力帶來(lái)新的突破。節(jié)能環(huán)保：在HPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，節(jié)能和環(huán)保將成為重要考慮因素，未來(lái)HPC系統(tǒng)將更加注重能效性，采用新型節(jié)能技術(shù)和可持續(xù)能源，降低能耗和碳排放。

總的來(lái)說(shuō)，隨著科技不斷進(jìn)步和需求不斷增長(zhǎng)，HPC高性能計(jì)算在未來(lái)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為人類社會(huì)帶來(lái)更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、工程創(chuàng)新以及社會(huì)進(jìn)步。

來(lái)源：懌智信息