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中國HPC,潛力無限

來源: 責編: 時間:2023-08-29 10:40:40 310觀看
導讀高性能計算(High performance computing),是一種利用超級計算機或計算機集群的能力實現并行計算,以處理標準工作站無法完成的數據密集型計算任務的技術,常見的應用領域有仿真模擬、機器學習和深度學習等。或許有人沒有聽過

高性能計算(High performance computing),是一種利用超級計算機計算機集群的能力實現并行計算,以處理標準工作站無法完成的數據密集型計算任務的技術,常見的應用領域有仿真模擬、機器學習和深度學習等。

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或許有人沒有聽過HPC,但是一定聽過超級計算機,它就是HPC的主要實現方式之一。數據顯示,高性能計算系統的運行速度比商用臺式機或服務器系統快一百萬倍以上。原因在于高性能計算能夠讓整個計算機集群為同一個任務工作,以更快的速度來解決一個復雜問題。

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HPC提供了超高浮點計算能力解決方案,可用于解決計算密集型、海量數據處理等業務的計算需求,如科學研究、氣象預報、計算模擬、軍事研究、CAD/CAE、生物制藥、基因測序、圖像處理等,大量縮短計算時間,提高計算精度。

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此前,HPC由于其專業度極高的特點被局限在科研實驗室、大型企業和特定的學術組織研究中。不過隨著近兩年AI技術與IoT應用之間的互相驅動,數據量和計算需求暴漲,5G將數據傳輸管道大大拓寬之后,同樣給了數據囤積量進一步拓展的空間,HPC也逐漸變得日益重要。

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目前,國產高性能計算機已經取得了不錯的成績。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

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中國高性能計算機成績斐然

2023 年 6 月,最新一期超級計算機 TOP500 榜單公布,從TOP500 榜單中就可以讀出中國在頂尖超級計算機研發上的努力已經凸顯出來。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

在61期全球超級計算機 TOP500 榜單中排名第一的是美國的Frontier、第二名為日本的Fugaku、第三名芬蘭的LUMI、第四名意大利Leonardo、第五名美國Summit、第六名美國Sierra、第七名中國神威·太湖之光、第八名美國Perlmutter、第九名美國Selene第十名TH—2 天河二號

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歷年來,中國高性能計算機屢屢登榜 TOP500。神威·太湖之光超級計算機甚至曾連續獲得top500四屆冠軍,該系統全部使用中國自主知識產權的處理器芯片。天河二號也曾6次蟬聯冠軍,天河二號采用麒麟操作系統,目前使用英特爾處理器,將來計劃用國產處理器替換。

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不只是排名領先,在上榜數量上,中國的高性能計算機也有實力“扛大梁”。

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根據 2023 年 6 月公布的最新 TOP500 榜單,美國為超級計算機上榜數量最多的國家,共上榜 150 套,占比 30%; 中國以 134 套上榜數量緊隨其后,占比 26.8%; 除中美兩國之外,德國、日本、法國、英國、加拿大均有 10 套及以上進入 TOP500 榜單的超級計算機系統。

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中國初步形成的高性能計算產業鏈由上、中、下游構成,以上所述企業均為中游企業,他們的角色是負責對上游的資源進行整合,提供強大的超算資源。

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看到此處想必已有不少人開始疑惑,中國CPU的發展之路道阻且長,那么中國高性能計算機又是如何取得今日這番成績的呢?其上下游的發展現狀又如何了?

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在這之前首先要了解的是,高性能計算機的發展歷程。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

02
高性能計算機的發展歷程

1975年,中國開始研制第一臺超級計算機。1983年,“銀河1號”面世,之后又研制出曙光系列超算。2009年,“天河1號”超算誕生,這是我國第1臺千萬億次級超算。2010年,經過升級之后的“天河1號”位居全球計算機500強第一位。2013年,“天河2號”再次名列超級計算機500強排行榜世界第一,并蟬聯多年。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

值得注意的是,當時中國所有的超級計算機都采用了英特爾的芯片,中國多次在全球超級計算機TOP 500強榜單中奪冠的天河二號使用的就是英特爾的Xeon眾核處理器+Xeon Phi加速卡。

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隨后2015年,美國政府禁止本國企業向中國出口與世界上最快的超級計算機相關的技術,國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學四家國家超算中心被列入出口管制名單。

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不過,管制并不能阻礙中國高性能計算機發展的步伐。2016年6月20日,在法蘭克福世界超算大會上,“神威·太湖之光”超級計算機系統震撼亮相,登頂榜單之首,不僅速度比第二名“天河二號”快出近兩倍,其效率也提高3倍。“神威·太湖之光”共有40960塊處理器,全都采用了中國自研架構的“申威26010”眾核處理器。

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并且除了“神威”系列,“天河”系列和“曙光”系列超級計算機也都自研了芯片,像“天河”系列超級計算機已經全面掌握“五大”自主核心技術,即具有自主知識產權的四大芯片和自主操作系統。

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接下來再看,高性能計算機與CPU的“命數不同”。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

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高性能計算機與CPU“命數不同”

眾所周知,一臺普通電腦一般只有一顆 CPU(GPU 同理),每顆 CPU 內一般只有2~8 個物理核心,而一般的超級計算機有成千上萬顆 CPU,每顆 CPU 內一般有幾十個物理核心。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

比如2010年,位居全球超級計算機500強排行榜榜首的“天河一號”,其思路采用“CPUGPU”的設計思路,結合了大約7000個英偉達GPU和14000個英特爾CPU,將GPU用于超級計算機,起到了“CPU加速器”的作用。盡管“天河”的主要部件仍來自英特爾與英偉達兩個美國制造商,但互聯芯片則完全是中國自主研發,“天河”安裝有由中國自主研發的“飛騰1000”芯片,部分取代了進口芯片。

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“天河2號”有16000個計算節點,每個節點由2片英特爾的E5 2692和3片Xeon PHI組成,共使用了32000片英特爾的E5 2692和48000片Xeon PHI,屬于CPU+眾核芯片。正在升級的“天河2號”則將美國的Xeon PHI換成了自主研發的矩陣2000,屬于CPU+DSP。

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神威·太湖之光超級計算機安裝了40960個中國自主研發的申威26010眾核處理器,該眾核處理器采用64位自主神威指令系統,峰值性能為12.5億億次每秒,持續性能為9.3億億次每秒,核心工作頻率1.5GHz。

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對于普通家用的電腦來說或許需要一個性能更高的CPU來為整機提供更好的調度能力,然而對于超級計算機來說并非如此。超級計算機的算力大小并不依賴狹義上的CPU,超級計算機需要的是浮點算力,此外超級計算機還要看能耗,所以靠堆砌堆上去的單核心性能,對于超算系統未必合算。另外還有散熱問題、單核心的能耗比也是需要考量的因素。也就是說,超級計算機比拼的是超算架構、調度算法、并行度等等。

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所以單個CPU綜合算力并不是決定性因素,高性能計算機也并非簡單的堆料。CPU要完成單核性能的沖刺需要面臨底層指令集以及生態等因素的束縛,而對于高性能計算機來說,更強的芯片協同工作能力或能帶來不菲的效果,這也正是中國的強項。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

04
CPU+GPU國產勢力大增

多年來,Intel、AMD兩大巨頭領跑通用CPU(桌面與服務器CPU)市場;不過隨著國家的大力支持引導,國產CPU也開始奮力追趕,并且有所成績。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

國產CPU的優秀企業有走X86技術授權路線的海光和兆芯,ARM指令集授權路線的華為鯤鵬和飛騰,以及自研指令集路線的龍芯和申威。

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目前,龍芯中科是目前中國CPU企業中自主程度最高的企業之一,近日龍芯發布的基于龍架構的新一代4核心8線程處理器龍芯3A6000流片成功,龍芯稱綜合相關測試結果,龍芯3A6000處理器總體性能與Intel公司2020年上市的第10代酷睿四核處理器相當。3A6000流片成功也代表了中國自主桌面CPU設計領域的最新里程碑成果。

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申威主要面向軍用等對安全性要求極高的特種領域,為其提供CPU處理器及其相關解決方案。在神威、太湖之光中使用的SW26010芯片,在服務器領域,浮點運算算力相比于同期國外處理器毫不遜色。

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海光也是CPU市場的優秀標的,其CPU主要面向數據中心的服務器,產品兼容x86 指令集以及國際上主流操作系統和應用軟件,軟硬件生態豐富,性能優異,安全可靠。

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此外,鯤鵬、飛騰和兆芯都是國產CPU的佼佼者。

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鯤鵬 920已實現通用計算最強算力,性能優于其他廠商的同類型芯片。有測試結果顯示,48核心的鯤鵬 920可以與Intel至強8180媲美,64核心的鯤鵬920甚至超過Intel至強8180。兆芯掌握自主通用處理器及其系統平臺芯片研發設計的核心技術,全面覆蓋其微架構等關鍵領域,構建了較為完整的知識產權體系。飛騰面向各類應用場景,已構建了1000多個從端到云自主可信的行業聯合解決方案,芯片交付累計超過600萬片,在國產CPU市場上占據了半壁江山。

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再看GPU。國內優秀的GPU芯片公司有寒武紀、華為昇騰、沐曦科技、海光信息、壁仞科技、阿里平頭哥、燧原科技、天數智芯、景嘉微等。據悉,思元即將推出的590整體算力綜合性能大約是A100的70%。華為昇騰910算力強悍,在實際應用過程中,昇騰910的處理速度比業界同類產品快80%以上。

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沐曦科技即將推出的MXC500是對標A100/A800的算力芯片,FP32浮點性能可達15TFlops,作為對比的是A100顯卡FP32 性能19.5 TFLOPS。

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壁仞科技的BR100 發布時,憑借其超高的參數與性能引起了強烈的轟動。BR100系列基于7nm制程工藝打造,擁有770億個晶體管。由壁仞科技自主原創的芯片架構開發,采用Chiplet(芯粒)、2.5D CoWoS等先進的設計、制造與封裝技術,可搭配64GB HBM 2E顯存,超300MB片上緩存,支持PCIe 5.0、CXL互聯協議等。

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阿里在2019年就推出了“含光800”,阿里曾表示,“含光800”是當時全球最強的AI芯片,性能和能效比均為第一,1顆“含光800”的算力相當于10顆GPU。此外,燧原科技、天數智芯、景嘉微也都推出了各家優秀的GPU產品。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

05
HPC成國際芯片龍頭爭奪要地

HPC 誕生于內部數據中心,擁有高速處理數據和執行復雜計算。為了做 HPC 領域的領導者,英偉達、AMD、英特爾在 HPC 應用領域也是進展不斷。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

英偉達:全面擁抱HPC

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迄今為止,英偉達已推出了面向 HPC 和 AI 訓練的 Volta、Ampere、Hopper 等架構,并以此為基礎推出了 V100、A100、H100 等高端 GPU。其中 Hopper H100 采用臺積電 4 nm 工藝,具有 800 億個晶體管,在性能、效率上遠超 Ampere A100,是英偉達專為超級計算機設計的產品。

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近日英偉達還發布新一代GH200 Grace Hopper 超級芯片平臺,是一款為大規模AI和高性能計算(HPC)應用量身打造的加速芯片。這款超級芯片在處理海量數據時,性能可提升高達10倍。由 72 核的 Grace CPU 和 GH100 Hopper 計算 GPU 組成。可以看到,英偉達已經做了充足的準備,全面迎接加速計算和生成式 AI 時代的到來。

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AMD:到 2025 年,AMD EPYC、AMD Instinct 能源效率提高 30 倍

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AMD已經在高性能計算領域推出一系列性能領先的產品,涵蓋了服務器CPU、加速器,桌面CPU、移動CPU等眾多領域,全方位覆蓋數字經濟的高算力需求。此外,充分利用小芯片(Chiplet)技術,用先進的2.5D和3D封裝技術,使AMD能夠靈活的進行異構計算解決方案系統級優化。

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目前 AMD EPYC 在 x86 服務器 CPU 市場的份額已超過 25%;其去年發布的 Instinct 生態系統以及此前的 ROCm 生態系統正在為擁有廣泛基礎的 HPC 和 AI 客戶提供 Exascale 級(百億億次級)技術,滿足計算加速的數據中心工作負載日益增長的需求。此外 AMD 預計在 2023 年至 2024 年推出 3nm Zen 5 架構處理器。

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此外,AMD 還宣布了一項雄心勃勃的計劃,目標是到 2025 年,在加速計算節點上運行的人工智能訓練和高性能計算應用中,AMD EPYC 系列處理器和 AMD Instinct 計算卡的能源效率將提高 30 倍。

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AMD最新發布的Instinct MI200 系列加速器的卓越性能也可助力高性能計算和人工智能訓練。

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英特爾:HPC潛力股

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作為高性能計算領域的創新引領者和推動者,英特爾近年來推出了英特爾至強處理器,英特爾至強融核處理器(Xeon Phi)、3D XPoint全新非易失性存儲技術、英特爾可擴展系統框架(英特爾SSF)以及英特爾Omni-Path架構 (Intel OPA)等眾多創新產品和技術。

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英特爾基于Xe HPC微架構的數據中心GPU Ponte Vecchio是迄今最復雜的SoC,包含1000億個晶體管,提供領先的浮點運算和計算密度,以加速AI、HPC和高級分析工作負載。而英特爾推出的Ponte Vecchio是為Aurora超級計算機提供動力的處理器,Aurora超級計算機將會成為美國首批突破exaflop障礙的高性能計算機之一。

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今年3月,英特爾官方發文表示,它們更新了高性能計算(High Performance Computing,簡稱 HPC)的路線圖,并且宣布取消 Rialto Bridge 和 Lancaster Sound 的開發。英特爾表示 HPC Max 系列的重心將轉移到 Falcon Shores XPU,該 XPU 原定于 2024 年推出,不過英特爾宣布推遲到 2025 年上線。

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未來計算架構的發展趨勢是CPU和GPU融合集成,從而形成互聯、互補、互通的融合模式,以縮小計算和存儲單元的通信成本。作為在CPU領域引領多年的英特爾,在這一趨勢中也有著得天獨厚的優勢。英特爾GPU的愿景也逐漸清晰:在計算多元化、算力需求爆發式增長的大趨勢下,英特爾GPU將成為驅動新興行業發展的算力基石,同時也將成為英特爾自身業務增長的突破點。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

06
未來,HPC與AI將加速融合

如今,以ChatGPT為代表的生成式AI風頭正熱,ChatGPT的上線或可被視作一次新產業革命的引爆點。而這個引爆點之所以能出現,離不開背后的HPC(高性能計算)與大數據基礎設施。當下HPC與AI 正在加速融合之中。sFb28資訊網——每日最新資訊28at.com

HPC不同于AI。HPC的運算精度是雙精度浮點運算,64位甚至128位的,所以加減乘除做得很快,它的應用領域主要有科學和工程計算、天氣預報、核聚變模擬、飛行器設計。而AI計算機是半精度的,甚至是定點的,8位的、16位的、32位的。AI更適合進行分類、自然語言處理等工作,多應用在安防、互聯網搜索推薦、智能制造等領域。

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因此,HPC與AI融合,也就意味著二者的研究模式相結合,這樣AI也可以通過HPC方法去做驗證,在保證速度的同時,提升精確度。借助HPC基礎設施,可見未來AI能得到更好的發揮,兩者融合將是未來幾年的主流趨勢。

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