高性能計(jì)算機(jī)（HPC，High Performance Computer，又稱超級(jí)計(jì)算機(jī)）是國之重器。從核爆炸模擬、油藏模擬，到極端天氣預(yù)報(bào)等，高性能計(jì)算都守護(hù)著國家安全和安寧。因此，高性能計(jì)算也成為衡量國家之間綜合實(shí)力的基準(zhǔn)之一，被視為國家實(shí)力的象征。 2020 年以來，十四五和新基建驅(qū)動(dòng)我國高性能計(jì)算中心建設(shè)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，多地地方政府和企事業(yè)單位都在積極建設(shè)和籌建高性能計(jì)算中心。 

什么是高性能計(jì)算 (HPC)

高性能計(jì)算是指將多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組織起來，通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，進(jìn)行協(xié)同工作，組成一臺(tái)性能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，通常指具有極快運(yùn)算速度、極大存儲(chǔ)容量、極高通信帶寬的一類計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算能夠讓整個(gè)計(jì)算機(jī)集群為同一個(gè)任務(wù)工作，以更快的速度來解決一個(gè)復(fù)雜問題。一臺(tái)高性能計(jì)算上往往執(zhí)行一個(gè)任務(wù)（或者有限的幾個(gè)任務(wù)）。全部的計(jì)算機(jī)資源都被傾注到同一個(gè)任務(wù)中。為了解決同一個(gè)問題，集群的不同計(jì)算機(jī)之間要有非常好的溝通能力。 

• HPC 的優(yōu)勢(shì)

由于處理大型數(shù)據(jù)集和運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用程序的需求不斷增長(zhǎng)，HPC 在學(xué)術(shù)和企業(yè)領(lǐng)域受到廣泛認(rèn)可。隨著高度可擴(kuò)展的高性能處理器、大容量高速內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，HPC 技術(shù)應(yīng)用變得日漸普及?？茖W(xué)家和工程師可以在本地部署的基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行 HPC 工作負(fù)載，或利用不需要大量資本支出的云資源進(jìn)行縱向和橫向擴(kuò)展。

• HPC 組件

最高效的高性能計(jì)算系統(tǒng)組合高級(jí) HPC 硬件和軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)而成。通常，適用于 HPC 的硬件包括高性能 CPU、架構(gòu)、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)組件，以及專門用于處理 HPC 工作負(fù)載的加速器。

圖1：高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)互聯(lián)示意圖 

HPC 平臺(tái)軟件、庫、針對(duì)大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的框架以及其他軟件工具可幫助您完善 HPC 集群設(shè)計(jì)并提高其效率。

高性能計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。假設(shè)說互聯(lián)網(wǎng)從外部將分立的計(jì)算機(jī)連接在一起，那么集群則是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部化，讓網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)內(nèi)部不同計(jì)算機(jī)的溝通橋梁。首先創(chuàng)造性發(fā)明集群的是有“高性能計(jì)算之父”之稱的 Seymour Cray。在 1960 年代，可以進(jìn)行高性能運(yùn)算的僅僅是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的、昂貴的大型機(jī)。這些大型機(jī)需要復(fù)雜的回路以實(shí)現(xiàn)高運(yùn)算頻率，所以其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期都非常長(zhǎng)。Seymour Cray 提出并行是提高計(jì)算機(jī)性能的有效方式。1964 年，Seymour Cray 研制的 CDC 6600 問世，他將多個(gè)普通的處理器連接起來，并使得這些處理器協(xié)同工作。政府和科研部門開始采購這樣的新型的高性能計(jì)算機(jī)，以代替原有的大型機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)為登月計(jì)劃等大型科研項(xiàng)目做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，開啟了高性能計(jì)算技術(shù)和產(chǎn)業(yè)多年的持續(xù)發(fā)展與繁榮。 

高性能計(jì)算近 60 年的演變路線可簡(jiǎn)單地分為 2 個(gè)階段：Cray 時(shí)代和多計(jì)算機(jī)時(shí)代。

（1）Cray 時(shí)代。從 20 世紀(jì) 60—90 年代初期的 30 年被稱為“Cray 時(shí)代”，以單一內(nèi)存向量機(jī)的技術(shù)革新為主導(dǎo)，Cray 定義和引領(lǐng)了前 30 年的高性能計(jì)算市場(chǎng)。第一個(gè)30 年研制以“頂天”為主，僅服務(wù)于國家戰(zhàn)略部門。

（2）多計(jì)算機(jī)時(shí)代。從 20 世紀(jì) 90年代迄今的后 30 年被稱為“多計(jì)算機(jī)時(shí)代”，由于微處理器的出現(xiàn)，以及大量工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件的普及，以大規(guī)?；ミB多個(gè)通用乃至商用的計(jì)算部件的可擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新主導(dǎo)了迄今為止的高性能計(jì)算發(fā)展。后 30 年的高性能計(jì)算機(jī)在滿足國家戰(zhàn)略應(yīng)用對(duì)性能巔峰需求的同時(shí)，“立地”成為發(fā)展的主要目標(biāo)，市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、高性能計(jì)算應(yīng)用普及成為第二階段的顯著特點(diǎn)。 

圖2：高性能計(jì)算近60年演變的2個(gè)階段

高性能計(jì)算為什么重要

性能計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的“皇冠”。高性能計(jì)算是計(jì)算機(jī)技術(shù)的源頭之一?；ヂ?lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)依賴的數(shù)據(jù)中心的核心技術(shù)，諸如 Hadoop 等并行編程工具和 RDMA 等遠(yuǎn)程通信技術(shù)大多脫胎于此。因此，高性能計(jì)算機(jī)被視為計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的“皇冠”。各國均頻繁從國家層面啟動(dòng)研制計(jì)劃。在中國多次上榜全球高性能計(jì)算 TOP500 后，美國自2015 年起將多所中國高性能計(jì)算相關(guān)機(jī)構(gòu)或企業(yè)列入實(shí)體清單，包括國防科大、無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所、曙光、申威等。而我國高性能計(jì)算整體實(shí)力和美國相比仍然有較大差距。因此，發(fā)展自主可控的高性能計(jì)算至關(guān)重要。 

圖3：世界主要大國高性能計(jì)算機(jī)研制計(jì)劃

圖4：全球高性能計(jì)算機(jī)性能 TOP50 機(jī)器制造臺(tái)數(shù)

高性能計(jì)算的技術(shù)壁壘

高性能計(jì)算的核心能力是 64 位雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力。高性能計(jì)算是一種通用算力，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供完備、復(fù)雜的計(jì)算能力，在高精度計(jì)算能力更強(qiáng)。業(yè)界廣泛用于衡量高性能計(jì)算性能的 Linpack 測(cè)試，測(cè)試的是高性能計(jì)算的“雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力”，即 64位浮點(diǎn)數(shù)字的計(jì)算（FP64），這是一種高精度的數(shù)值計(jì)算。在以二進(jìn)制所表示數(shù)字精度中，還有單精度（32 位，F(xiàn)P32）、半精度（16 位，F(xiàn)P16）以及整數(shù)類型（如 INT8、INT4）等。數(shù)字位數(shù)越高，意味著人們可以在更大范圍內(nèi)的數(shù)值內(nèi)體現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值的變化，從而實(shí)現(xiàn)更精確計(jì)算。 

高性能計(jì)算在底層芯片性能要求上高于普通的數(shù)據(jù)中心和智算中心。算力中心有多種，大致可分為數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算中心、智算中心等，而它們都可以用云的形式來提供服務(wù)。以實(shí)現(xiàn)人工智能需求為例，推理、訓(xùn)練和模擬為 AI 的三類主要任務(wù)。在此維度上，芯片的應(yīng)用上限由其底層構(gòu)造所決定，即使采用軟件優(yōu)化也無法再提升。從芯片層面來看，如果底層芯片采用的是 CPU+專用 AI 芯片，那么其只能完成 AI 推理和訓(xùn)練任務(wù)，而無法完成模擬。因?yàn)?AI 芯片無法實(shí)現(xiàn)雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算大量涉及線性代數(shù)方程求解，而自然界的很多問題，包括科學(xué)問題、社會(huì)問題等，最后都可轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程求解問題。 

圖5：不同精度可執(zhí)行任務(wù)對(duì)比

高性能計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件同樣重要。芯片是高性能計(jì)算的重要組成部分，但不是高性能計(jì)算技術(shù)的全部。高性能計(jì)算不是簡(jiǎn)單的 CPU 堆砌，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、并行文件系統(tǒng)、儲(chǔ)存列陣等方面如果有所欠缺，即使堆再多的 CPU，高性能計(jì)算性能也無法提高。隨著計(jì)算能力的增強(qiáng)、應(yīng)用課題規(guī)模和復(fù)雜度的增加，高性能計(jì)算機(jī)對(duì)并行文件系統(tǒng)等性能要求越來越高。高性能計(jì)算的技術(shù)溢出效益非常明顯。由于服務(wù)器可以平滑地采用高性能計(jì)算的互聯(lián)技術(shù)、CPU 技術(shù)、操作系統(tǒng)技術(shù)和并行軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)，在高性能計(jì)算方面的積累能夠自然地溢出到服務(wù)器產(chǎn)業(yè)。 

高性能計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景？ 

高性能計(jì)算適用于需要并行運(yùn)算的任務(wù)，應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展。高性能計(jì)算主要應(yīng)用場(chǎng)景分為兩類，一類是飛行器設(shè)計(jì)、核模擬實(shí)驗(yàn)、星云模擬、解密碼等數(shù)值模擬場(chǎng)景，一類是大數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和人工智能等數(shù)據(jù)分析場(chǎng)景。由于飛行器等工程設(shè)計(jì)中很多情況無法實(shí)測(cè)，只能進(jìn)行計(jì)算模擬，因此美國對(duì)出口高性能計(jì)算十分謹(jǐn)慎。高性能計(jì)算應(yīng)用正在從過去的高精尖向更廣更寬的方向發(fā)展。隨著高性能計(jì)算的發(fā)展，尤其是使用成本的不斷下降，其應(yīng)用領(lǐng)域也從具有國家戰(zhàn)略意義的核武器研制、信息安全、石油勘探等科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域向更廣泛的國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)快速擴(kuò)張，比如制藥、基因測(cè)序、動(dòng)漫渲染、數(shù)據(jù)挖掘、金融分析以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等等。從 2021 年 11 月中國高性能計(jì)算機(jī) TOP100中的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 Linpack 性能份額來看，算力服務(wù)、高性能計(jì)算中心、人工智能、科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域是高性能計(jì)算的主要用戶，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)特別是 AI 領(lǐng)域增長(zhǎng)強(qiáng)勁。

圖6：中國 TOP100 行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域份額（2021.11） 

本文標(biāo)題：什么是高性能計(jì)算 (HPC)

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