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聚焦 | 十年磨一劍!中國高通量計算機(jī)的自主研發(fā)之路

mK5P_AItists ? 來源:YXQ ? 2019-07-17 16:05 ? 次閱讀

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,高性能計算的主要應(yīng)用從傳統(tǒng)的科學(xué)與工程計算為主逐步演變?yōu)橐詳?shù)據(jù)處理為核心,這給傳統(tǒng)高性能計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)帶來巨大挑戰(zhàn)的同時,也使高通量計算應(yīng)運而生。文章從應(yīng)用特征出發(fā)闡述了高通量計算與傳統(tǒng)高性能計算的差別,并探討了高通量計算的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù),以及中國科學(xué)院在高通量計算核心芯片及系統(tǒng)領(lǐng)域的研究成果;以期通過高通量計算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究與突破,為緩解我國核心芯片“卡脖子”的問題,以及為構(gòu)建智能萬物互聯(lián)時代的新型高性能計算平臺作出貢獻(xiàn)。

近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長。以幾個典型公司為例:淘寶網(wǎng)每天交易達(dá)數(shù)千萬筆,其單日數(shù)據(jù)產(chǎn)生量超過?50?TB;百度每天大約要處理?200?億次搜索請求,處理數(shù)據(jù)量達(dá)數(shù)百?PB;騰訊網(wǎng)日覆蓋人數(shù)超過?1.5?億,騰訊視頻月總播放量達(dá)?800?億次;Facebook?注冊用戶超過?20?億,每月上傳的照片達(dá)數(shù)百億張。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)預(yù)測,到?2025?年,全球需要管理的數(shù)據(jù)量將超過?160?ZB。如何有效對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工將成為一大難題。

在這種背景下,高性能計算的主流應(yīng)用也從傳統(tǒng)的以科學(xué)與工程計算為主,逐步演變成以數(shù)據(jù)處理為核心。然而,由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及軟件技術(shù)的不同,需要處理的數(shù)據(jù)格式和產(chǎn)生速度也各不相同。更甚的是,諸如微博、團(tuán)購、“秒殺”等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn),給大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時處理及?QoS(服務(wù)質(zhì)量)提出了更高的要求。因此,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用帶來的種種新特性給當(dāng)前的高性能處理器芯片和計算機(jī)系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

我們都知道,芯片和系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全的根基,盡管我國的信息服務(wù)行業(yè)發(fā)展繁榮,但支撐我國信息行業(yè)的核心設(shè)施卻嚴(yán)重受制于人,特別是關(guān)鍵芯片和核心系統(tǒng)等方面依然面臨“卡脖子”的相關(guān)問題。當(dāng)前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的中央處理器CPU)芯片市場幾乎被美國的?Intel?和?AMD?兩家公司全部瓜分,而加速器芯片則主要由美國的?NVIDIA?公司壟斷。核心技術(shù)的缺失,使得我國整個信息產(chǎn)業(yè)面臨著嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)安全問題,尤其是當(dāng)前中美經(jīng)貿(mào)摩擦愈演愈烈,唯有科技自主方可不受制于人。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所早在?10?年前就前瞻性地啟動了高通量計算機(jī)的研究工作。經(jīng)過多年的科研積累,目前已經(jīng)在核心芯片、計算機(jī)系統(tǒng)等方面形成了諸多創(chuàng)新成果,并已開始逐步投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

什么是高通量計算機(jī)

高性能計算在傳統(tǒng)的科學(xué)與工程計算類應(yīng)用中的特點包括:任務(wù)單一,負(fù)載變化不頻繁,單個任務(wù)計算量大,以及計算局部性好。而高通量計算在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用則主要面向互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興場景,其特點是:任務(wù)多樣,單個任務(wù)往往具有流式計算特征;計算量相對不大,但任務(wù)的并發(fā)數(shù)量及數(shù)據(jù)規(guī)模巨大;以及處理要求具有實時性。

傳統(tǒng)高性能計算機(jī)的研制目標(biāo)是提高速度,即縮短單個并行計算任務(wù)的運行時間;而數(shù)據(jù)中心類應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)是高通量,即提高單位時間內(nèi)任務(wù)或數(shù)據(jù)處理的吞吐量。這種以“算得多”為性能指標(biāo)的高性能計算機(jī)被稱為高通量計算機(jī)。如果給高通量計算機(jī)一個定義,那么可以這么描述:高通量計算機(jī)是適用于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等新興應(yīng)用負(fù)載特征的、在強(qiáng)時間約束下能夠全局可控地處理高并發(fā)請求的新型高性能計算機(jī)。其核心特點是對并發(fā)性、實時性和確定性的保障。

高通量計算機(jī)和傳統(tǒng)的高性能計算機(jī)在目標(biāo)應(yīng)用、計算特征和設(shè)計目標(biāo)等方面都存在明確的區(qū)別(表?1)。然而,由于高性能計算由來已久,目前主流的通用計算機(jī)和高端計算系統(tǒng)的發(fā)展都深受其影響,這也使得當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主流的計算系統(tǒng)在針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)這種高并發(fā)、強(qiáng)實時的高通量應(yīng)用時表現(xiàn)出諸多不足。為了進(jìn)一步理解高通量應(yīng)用對計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的需求,我們基于當(dāng)前主流的高性能服務(wù)器(采用Intel Xeon CPU)對典型高通量應(yīng)用進(jìn)行了測試,并且發(fā)現(xiàn)了以下一些問題。

緩存資源浪費。CPU上的共享緩存(cache)缺失率很高,這說明高通量應(yīng)用與傳統(tǒng)高性能計算應(yīng)用的數(shù)據(jù)訪問特征有明顯區(qū)別,傳統(tǒng)的多級緩存設(shè)計并不適合。從面積和功耗的角度來衡量的話,共享緩存作用不大,但卻占用了大量的片上面積(在?Intel?的主流服務(wù)器芯片中,片上存儲所占面積通常高達(dá)?30%?以上),產(chǎn)生了大量的功耗。

內(nèi)存帶寬利用率低。CPU?在?70%?以上使用率時的壓力測試下,內(nèi)存帶寬的有效使用率通常也不到?10%。這說明,在高通量應(yīng)用負(fù)載下,傳統(tǒng)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計下的內(nèi)存帶寬并沒有得到有效利用。

服務(wù)質(zhì)量難以保障。當(dāng)增加任務(wù)的并發(fā)負(fù)載,使得?CPU?利用率維持在較高水平時,我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的完成時間迅速拉長,也即系統(tǒng)的尾延遲明顯增大,從而導(dǎo)致延遲敏感應(yīng)用大量失效。因此,在傳統(tǒng)服務(wù)器系統(tǒng)上,要想獲得好的用戶體驗,必須把硬件利用率維持在較低水平。

通過上述實驗結(jié)果我們可以看到,現(xiàn)有的高性能計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計并不能很好地滿足高通量應(yīng)用的新特性。因此,需要開展新型的高通量計算體系結(jié)構(gòu)的研究。

高通量計算基礎(chǔ)理論

與傳統(tǒng)高性能計算以高速度為設(shè)計目標(biāo)相比,高通量計算的核心是追求高通量,即算得多。具體包括?3?個核心要素,即高吞吐、高利用率、低延遲。

高吞吐。是指單位時間完成的任務(wù)數(shù)或者響應(yīng)的請求數(shù)要多。對于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景來說,數(shù)據(jù)中心的一個核心挑戰(zhàn)是要實時響應(yīng)海量的并發(fā)用戶請求。以?2018?年天貓“雙?11”全球狂歡節(jié)為例,其實時數(shù)據(jù)處理峰值超過?6?億條/秒,支付成功峰值超過?30?萬筆/秒,數(shù)據(jù)中心必須充分挖掘各種并行性以應(yīng)對如此巨大的實時并發(fā)處理需求。

高利用率。是指計算機(jī)系統(tǒng)中的核心部件(如?CPU、存儲器、網(wǎng)絡(luò)等)的利用率要高。當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心通常包括數(shù)十萬臺甚至百萬臺服務(wù)器,建設(shè)資金則高達(dá)數(shù)十億甚至百億美元。然而,為了確保用戶的服務(wù)質(zhì)量,現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心不得不將利用率控制在較低水平,因此整體利用率情況很不理想。公開數(shù)據(jù)顯示,2013?年谷歌數(shù)據(jù)中心的平均?CPU?利用率只有30%,而其他互聯(lián)網(wǎng)公司運營的數(shù)據(jù)中心的利用率甚至比該值還要低。可見在現(xiàn)有的架構(gòu)下,要做到既能實時滿足用戶處理需求,同時又能達(dá)到高的利用率,是非常困難的。

低延遲。指用戶請求的響應(yīng)時間要短。互聯(lián)網(wǎng)上的大部分在線服務(wù)具有明顯的實時交互特征,數(shù)據(jù)中心必須確保在給定的實時性約束條件滿足的情況下返回結(jié)果,否則會導(dǎo)致服務(wù)的失效。比如一些圖像識別或者語音翻譯之類的人工智能AI)應(yīng)用場景,通常要求響應(yīng)時間在毫秒級別,這對于當(dāng)前的計算機(jī)系統(tǒng)來講是一個巨大挑戰(zhàn)。

圖片源自xinhuanet.com

針對上述高吞吐、高利用率、低延遲的設(shè)計需求,我們提出一個基于“系統(tǒng)熵”的通量分析模型?。系統(tǒng)熵主要受延遲的不確定性(波動情況)、資源利用率和吞吐量?3?個因素影響。簡單來講,系統(tǒng)熵與延遲的波動幅度成正比,與資源利用率以及系統(tǒng)吞吐量成反比。因此,延遲波動越大,系統(tǒng)熵越大;資源利用率越高、吞吐量越大,則系統(tǒng)熵越小。類似于“熱力學(xué)熵”的用法,我們通過“系統(tǒng)熵”可以反映計算機(jī)系統(tǒng)中的易擾動程度或者不確定性。

“熵者,傷也。”高熵系統(tǒng)往往開銷大、成本高。相比于高熵系統(tǒng),低熵系統(tǒng)具有更優(yōu)的可預(yù)測性,能達(dá)到更高的效率、更低的成本,也更受用戶青睞。曾有人問美國能源部副部長斯蒂文?·?庫寧(Steven Koonin),為什么電能如此受到人們的喜愛?他回答道,因為電力是一種低熵能源。前文提到,為了確保用戶服務(wù)質(zhì)量,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心的?CPU?平均利用率很低,一旦利用率提高,其負(fù)載性能的波動幅度將迅速增大。因此,當(dāng)前數(shù)據(jù)中心計算系統(tǒng)仍然是高熵系統(tǒng)。而高通量計算機(jī)的核心目標(biāo)就是要降低系統(tǒng)熵,也即降低系統(tǒng)的不確定性;以及通過高通量計算機(jī)實現(xiàn)提高系統(tǒng)利用率和任務(wù)吞吐量的同時,避免應(yīng)用的性能波動。

高通量計算關(guān)鍵技術(shù)

針對高通量計算高吞吐、高利用率、低延遲的需求,我們需要把當(dāng)前計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計從“速度導(dǎo)向”轉(zhuǎn)向“通量導(dǎo)向”,從而確保計算機(jī)系統(tǒng)在滿足高吞吐、低延遲的同時還能達(dá)到高利用率。針對上述目標(biāo),中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在高通量計算機(jī)研制過程中提出了一系列關(guān)鍵技術(shù),包括高通量眾核體系結(jié)構(gòu)、高通量片上數(shù)據(jù)通路、標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)等。

高通量眾核體系結(jié)構(gòu)

針對高通量應(yīng)用中的海量并發(fā)處理需求,我們提出了?Godson-T?眾核處理器體系結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)任務(wù)的高吞吐。相比于傳統(tǒng)多核處理器,Godson-T?采用眾核架構(gòu)提供豐富的并發(fā)處理能力,并在片上網(wǎng)絡(luò)、片上存儲、同步模型和通信機(jī)制等方面采用創(chuàng)新性的設(shè)計方法,以實現(xiàn)任務(wù)的高吞吐和低延遲。

易擴(kuò)展片上網(wǎng)絡(luò)。Godson-T?采用易擴(kuò)展的二維網(wǎng)格片上網(wǎng)絡(luò),同時支持擁塞感知和能耗感知的動態(tài)路由算法以實現(xiàn)高并發(fā)場景下的片上網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡,進(jìn)而確保網(wǎng)絡(luò)通信的低延遲。

細(xì)粒度可配置片上存儲。Godson-T?的片上存儲支持細(xì)粒度可配置,從而更好地適配高通量場景下復(fù)雜的數(shù)據(jù)訪問模式,降低延遲。

快速同步機(jī)制。我們設(shè)計了片上同步管理結(jié)構(gòu),支持基于數(shù)據(jù)流的核間細(xì)粒度快速同步,相比傳統(tǒng)的基于內(nèi)存的同步機(jī)制,性能可獲得數(shù)量級的提升。

編程數(shù)據(jù)通信機(jī)制。Godson-T?提出了可編程數(shù)據(jù)傳輸引擎結(jié)構(gòu),可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的水平(片上處理器核之間)和垂直(從內(nèi)存到片上存儲)搬運,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的低延遲。

Godson-T?眾核處理器結(jié)構(gòu)受到國際同行的廣泛關(guān)注,2011?年,處理器領(lǐng)域的知名期刊《微處理器報告》(Microprocessor Report)對?Godson-T?的研究成果進(jìn)行了專門文章報道,并將其選入?2011?年全球十大服務(wù)器處理器之一。

高通量片上數(shù)據(jù)通路

“通量導(dǎo)向”的處理器數(shù)據(jù)通路設(shè)計也是確保“高吞吐、低延遲”的關(guān)鍵,我們借鑒城市交通管理的思路開展設(shè)計。高通量計算在結(jié)構(gòu)特征、資源管理、調(diào)度策略等方面都非常類似于城市交通管理,兩者的核心特征都是高通量,即在單位時間內(nèi)完成盡可能多的處理請求,并保證?QoS,表?2?給出了兩者的類比情況。

針對應(yīng)用的新特點,高通量數(shù)據(jù)通路重點在最基本的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)傳輸(訪存通路)和數(shù)據(jù)處理3個環(huán)節(jié)進(jìn)行了創(chuàng)新。

數(shù)據(jù)讀取環(huán)節(jié)。針對應(yīng)用中的大量細(xì)粒度訪存需求,設(shè)計了基于硬件的訪存請求收集表,通過對大量細(xì)粒度訪存的收集并批量處理,同時通過時間敏感的收集窗口控制機(jī)制,避免長延遲導(dǎo)致的任務(wù)失效。

數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)。針對大量細(xì)粒度訪存的需求,提出了高密度路網(wǎng)的設(shè)計,從而提高片上網(wǎng)絡(luò)的利用率和吞吐量。支持動態(tài)通路調(diào)整,能根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Γ瑒討B(tài)調(diào)整傳輸通路配置,提高通路利用率。此外,通過直連快速網(wǎng)絡(luò)保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)通路的低延遲。

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。提出了硬件支持的全局實時任務(wù)調(diào)度機(jī)制,將任務(wù)按照優(yōu)先級及剩余裕度時間進(jìn)行調(diào)度,有效保障任務(wù)的?QoS;同時避免對時間裕度不足的失效任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,從而確保硬件資源的合理利用。

標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)

為了在高吞吐、低延遲的同時還能實現(xiàn)高利用率,我們提出了標(biāo)簽化馮?·?諾依曼體系結(jié)構(gòu)(Labeled von Neumann Architecture,LvNA;圖?1)。LvNA?的主要思想,是在經(jīng)典馮?·?諾依曼體系結(jié)構(gòu)之上增加一套基于標(biāo)簽機(jī)制的可編程接口,使得總線與共享硬件部件支持“DIP”能力,即?D—區(qū)分(Distinguishing)、I—隔離(Isolation)、P—優(yōu)先化(Prioritizing),從而降低計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部因資源競爭造成的干擾。

D屬性標(biāo)簽機(jī)制。在?LvNA?中,標(biāo)簽將依附于所有的數(shù)據(jù)訪問請求中,用于標(biāo)識該請求來源于哪一個應(yīng)用(或應(yīng)用類別),并隨著數(shù)據(jù)訪問請求一同在整個計算機(jī)系統(tǒng)中傳播。這樣,總線和共享硬件部件就可以通過檢查數(shù)據(jù)訪問請求的標(biāo)簽來對不同應(yīng)用(或應(yīng)用類別)的請求進(jìn)行區(qū)分,從而支持區(qū)分屬性(D?屬性)。

I屬性標(biāo)簽機(jī)制。總線和共享硬件部件可以在對數(shù)據(jù)訪問請求進(jìn)行來源區(qū)分的基礎(chǔ)上,對請求所訪問的空間資源(如緩存、內(nèi)存地址空間等)進(jìn)行隔離,減緩或消除因為空間資源的共享沖突帶來的干擾,從而支持隔離屬性(I?屬性)。

P屬性標(biāo)簽機(jī)制。總線和共享硬件部件可以在對數(shù)據(jù)訪問請求進(jìn)行來源區(qū)分的基礎(chǔ)上,對請求所使用的性能資源(如隊列、帶寬等)進(jìn)行優(yōu)先化,減緩或消除因為性能資源的共享沖突帶來的干擾,從而支持優(yōu)先化屬性(P?屬性)。

基于上述標(biāo)簽機(jī)制,控制邏輯按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則,以標(biāo)簽為依據(jù)對相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問請求實施不同的性能調(diào)控策略。這些性能調(diào)控策略是軟件可編程的,并且可以做到比傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的性能調(diào)控更為細(xì)粒度,從而對延遲敏感型應(yīng)用會有更優(yōu)的性能調(diào)控效果。

LvNA?對硬件的增強(qiáng)并不改動現(xiàn)有指令的語義,因此對軟件系統(tǒng)沒有侵入性,可以做到無須修改操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。此外,LvNA?不依賴于處理器流水線結(jié)構(gòu)的改動,因而可以適用于任意處理器。

高通量計算核心芯片、系統(tǒng)及應(yīng)用

為了驗證高通量計算機(jī)在核心芯片和系統(tǒng)等方面的核心技術(shù),中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所先后研制了高通量眾核處理器——DPU-m、標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)——“火苗”,以及高通量計算機(jī)系統(tǒng)——“金剛”等,并開展實際應(yīng)用。

DPU-m高通量眾核處理器

我們完成了?DPU-m?高通量眾核處理器芯片(圖?2)的設(shè)計和流片,芯片基于?TSMC?40?nm?工藝,主要面向互聯(lián)網(wǎng)高通量視頻處理需求。與數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的主流芯片?Intel?的相同工藝芯片相比,能效提升達(dá)?20?余倍。

目前,基于自主技術(shù)構(gòu)建的高通量處理系統(tǒng)在國內(nèi)外均已開展部署。在國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心、中國移動、中國聯(lián)通等重要高通量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)管與分析領(lǐng)域,有效保障了國家信息安全。在國外也已經(jīng)累計部署數(shù)千節(jié)點,服務(wù)于國家“一帶一路”倡議。

“火苗”標(biāo)簽化體系結(jié)構(gòu)原型系統(tǒng)

“火苗”原型系統(tǒng)(圖?3)是依據(jù)?LvNA?實現(xiàn)的?FPGA?原型系統(tǒng),包括?8?個節(jié)點;基于?SiFive?公司?freechips?項目的開源?SoC?實現(xiàn)?Rocketchip,并在其基礎(chǔ)上加入了標(biāo)簽化的基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用標(biāo)簽的控制平面。該系統(tǒng)已整體達(dá)到國際先進(jìn)水平(美國加州大學(xué)伯克利分校于?2018?年?6?月發(fā)布同類平臺),標(biāo)簽化功能處于國際領(lǐng)先水平。目前,“火苗”原型系統(tǒng)已對外開放,被中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、華為海思公司、美國?Clemson?大學(xué)等用于前沿研究與產(chǎn)品研發(fā)。

“金剛”高通量計算機(jī)

2018?年?10?月,中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所聯(lián)合北京中科睿芯科技有限公司在中國計算機(jī)大會(CNCC)上發(fā)布了首臺高通量計算機(jī)系統(tǒng)——“金剛”(圖?4),該系統(tǒng)集成了該所相關(guān)團(tuán)隊在高通量處理器、高通量系統(tǒng)、高通量軟件及應(yīng)用等領(lǐng)域的一系列創(chuàng)新技術(shù),以高吞吐、高利用率、低延遲的特性滿足數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新需求,在高并發(fā)音視頻處理、深度學(xué)習(xí)等典型應(yīng)用場景相比傳統(tǒng)服務(wù)器獲得數(shù)量級的能效提升。目前,隨著高通量計算機(jī)系統(tǒng)的成功研制,高通量計算技術(shù)將逐步應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場,貢獻(xiàn)于國計民生。

高通量計算中心建設(shè)

當(dāng)前,城市公共計算基礎(chǔ)設(shè)施仍以超算中心和云計算中心為主。超算中心采用的是傳統(tǒng)高性能計算架構(gòu),其核心是“算得快”;以交通工具做類比的話,對應(yīng)的是飛機(jī),其特點就是速度快、完成時間短。而云計算中心的核心是面對多樣化的計算需求實現(xiàn)“算得省”,對應(yīng)交通工具中的汽車,汽車可以在絕大部分出行場景中都達(dá)到成本低和利用率高的目的。然而,飛機(jī)和汽車都存在一個明顯的局限性:雖然,在流量較低的情況下,兩者都能確保較好的服務(wù)質(zhì)量;但是,一旦交通負(fù)載快速上升時,就容易造成擁塞,導(dǎo)致完成時間急劇增長,難以保障服務(wù)質(zhì)量。而高通量計算的核心就是要突破上述局限性,在高負(fù)載的情況下實現(xiàn)“算得多”,類似于高鐵。高鐵是目前交通工具中,在高負(fù)載、高利用率前提下依然能有效保障用戶服務(wù)質(zhì)量的最佳方案。

隨著用戶出行需求的多樣化,交通運輸體系也在不斷發(fā)展完善。類似地,隨著應(yīng)用需求的不斷變化,未來城市公共計算基礎(chǔ)設(shè)施也需要不斷發(fā)展和完善。面對未來千億級別端設(shè)備帶來的新需求,需要提供更高通量、更高智能、更高確定性、更低延遲和更低功耗的計算與傳輸能力,而高通量計算中心無疑將扮演著越來越重要的角色。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所正在開展高通量計算中心的建設(shè),按照規(guī)劃,第一步將先建設(shè)1—2個高通量計算的示范中心,然后在全國重點城市開展高通量計算中心建設(shè),逐步實現(xiàn)高通量計算技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)的無縫融合。目前,第一個城市高通量計算中心已經(jīng)選址江蘇省鹽城市并已開展建設(shè),由中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所團(tuán)隊負(fù)責(zé)高通量計算中心的整體方案設(shè)計、核心設(shè)備研制和日常運營。鹽城高通量計算中心將重點支持高通量視頻處理和人工智能加速,作為服務(wù)鹽城智能產(chǎn)業(yè)升級的核心公共研發(fā)平臺。

總結(jié)及建議

經(jīng)過長期的努力突破,我國在高性能計算機(jī)研制方面已經(jīng)取得一系列令人矚目的成果。然而我們也看到,不管是傳統(tǒng)超算中心,還是新興互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心,核心芯片受制于人的現(xiàn)象仍然非常嚴(yán)重。

為了確保我國信息產(chǎn)業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展,有必要以高通量計算等新興應(yīng)用場景作為突破口,加強(qiáng)核心芯片和計算系統(tǒng)的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,逐步打造自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。為此,本文提出以下建議。

政策方面,政府明確以高通量計算等為代表的新興技術(shù)的戰(zhàn)略定位。一方面,加強(qiáng)以芯片和系統(tǒng)為代表的核心技術(shù)專項設(shè)置和科研投入;另一方面,加大國家相關(guān)部門在高通量計算相關(guān)信息基礎(chǔ)設(shè)施工程的布局和建設(shè),針對國產(chǎn)化自主核心技術(shù)在全國挑選重點城市開展試點和驗證。

產(chǎn)業(yè)方面,整合高通量計算相關(guān)優(yōu)勢科研單位、高校及企業(yè),推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的構(gòu)建。推動以高通量視頻處理、人工智能等為代表的行業(yè)應(yīng)用優(yōu)先導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)生態(tài)。此外,針對國家“一帶一路”倡議,積極探索核心技術(shù)產(chǎn)品的出口應(yīng)用,擴(kuò)大國際影響力。

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原文標(biāo)題:中國高通量計算機(jī)的自主研發(fā)之路

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