HPC走出全新路線：《開放架構HPC技術與生態白皮書》注解
文|智能相對論
作者|葉遠風
數字經濟大時代，創新驅動大環境，HPC已不再是陽春白雪，而受到越來越多人的關注。
HPC，即High Performance Computing，高性能計算。對普通人來說，沒有聽過HPC，但肯定都聽過超級計算機，它就是HPC的主要實現方式之一。
對越來越需要高復雜度計算的學界與產業界來說，HPC的重要性不言而喻。
最近，2022 CCF全國高性能計算學術年會（CCF HPC China 2022）在線上舉辦，吸引了國內外學界、產業界眾多專家、從業者參會。
CCF HPC China是HPC領域全球最有影響力的三大超算盛會，另外兩家分別是德國的ISC超算盛會、美國的SC超算盛會。
最前沿的學術成果匯聚與交流，為HPC的發展再添了一把火。
這次會上，《開放架構 HPC 技術與生態白皮書》（以下簡稱“白皮書”）發布，有關全球HPC最新發展狀況與發展動向被闡明。
值得注意的是，ARM指令集兼容架構登上HPC舞臺，展示出“皇冠上的明珠”般璀璨的光芒。
ARM指令集兼容的HPC進入全球大發展時代
從時間上看，HPC并不是新的字眼，畢竟超級計算機的發展已經有數十年了。但HPC始終保持著旺盛的活力。
如今的HPC，在算力上已經進入了E級時代。
這個時代與過去有著顯著的不同：
ARM 指令集兼容的架構成為HPC的主要路線之一，用于支撐起E級算力的要求。
HPC的計算芯片也從過去十幾年基于一種或幾種完全封閉的指令集，走向由不同廠家生產、但指令集能夠兼容的產品所構成。
“ARM”成為一種共同遵循的標準，而不具體指代某個下場參與HPC的產品。
HPC的參與者變得更加自主，HPC的實現方式也能夠創新頻出。
于是，指令集兼容、差異化實現、可自由演進，這種架構也就是白皮書提到的“開放架構”，能夠百花齊放，不斷適應市場需要。
如同生物界的進化，HPC這種走向“開放架構”的進化，也是“自然選擇”的結果。白皮書提到，廠家、生態及產業鏈伙伴持續多年的戰略定位、技術與投資，造就了ARM指令集兼容HPC的繁榮。
這背后的動因，是ARM 指令集在HPC方面相對傳統架構有明顯的優勢。
芯片性能不斷提高且更多核心支持的特點更適合HPC大規模并行的發展趨勢，同樣的體積能部署更多的算力，魚和熊掌兼得；
完善的指令集在HPC的特殊工作負載上有優勢，且加強了對矢量、矩陣計算等工作的支持；
訪存性能更強，計算足夠優秀還不忘與其他配套設施打好配合；
……
當然，專門的安全模塊所帶來的安全性同樣十分重要。
全球主要算力高地，都在將ARM 指令集兼容架構融入到國家高性能計算建設戰略當中：
無論中國的高性能專項，還是日本 FLAGSHIP 2020 計劃，以及歐洲的EuroHPC計劃，都做了基于ARM指令集的超算系統。美國的Venado等超級計算機也宣告ARM指令集兼容成為美國超算建設的一個方向之一。
ARM指令集兼容的HPC，正在高歌猛進。
從技術、生態到產業落地，中國HPC再現全產業鏈優勢
短短十年間，憑借全產業鏈優勢，中國在很多前沿技術上由跟隨者變成了探索者。
在ARM指令集兼容的HPC這里，這一優勢再度彰顯。
從白皮書來看，無論是技術創新、生態共建還是產業落地，中國在HPC的新發展方向上都表現出全面進發的態勢。
有底層的技術發展驅動力，有生態平臺推動枝繁葉茂，有產業落地讓價值坐實最終反饋到技術與生態，全鏈條形成了一個不斷自增強的發展循環。
首先，在技術上，ARM 指令集兼容HPC所需要的多層次內容已經趨近完善，一個從行業宏觀視角看的“全棧”技術體系在走向成熟。
硬件方面，國內基于 ARM 指令集兼容架構的服務器芯片廠商出現了包括華為的鯤鵬、飛騰、阿里平頭哥等在內的典型廠商。
系統層，國內擁有openEuler開源操作系統、銀河麒麟等操作系統，對鯤鵬、飛騰芯片已經實現了很好的適配，并在行業得到了廣泛應用。
編譯層，華為的畢昇編譯器面向鯤鵬處理器進行了深度優化，實現了較高的性能，此外，國防科大編譯團隊的“天鷹編譯系統”則專門面向飛騰處理器進行了優化。它們在能力上已經能夠對標在國內外服務器領域應用廣泛的亞馬遜編譯器、Ampere 編譯器等。
平臺層，國內目前代表產品有鯤鵬應用使能套件 Kunpeng BoostKit 和鯤鵬開發套件 Kunpeng DevKit，前者主要幫助開發者實現應用的極致性能，讓各種場景的開發者都能獲得特定的、與硬件性能匹配的增益；后者主要幫助開發者實現極簡開發，開發出鯤鵬親和的高性能軟件，加速原生開發效率。
在最后的應用層，面向電磁仿真、材料計算、分子動力學、生物信息、計算物理、氣候氣象、金融分析等不同領域，不同的行業應用不斷產生。
例如，在氣候海洋領域，典型開源軟件WRF已經在基于飛騰處理器的天河系統、基于鯤鵬處理器的HPC系統上運行，有效幫助氣候預測、規避氣象災害。
在醫學影像領域，鯤鵬平臺已適配常用圖像處理軟件，隨著醫學影像庫的數據規模達到 TB 級，HPC將發揮重要價值。
其次，在生態上，越來越多的產業伙伴在加入屬于中國的ARM指令集兼容HPC陣營當中，這反過來又推動HPC的新趨勢在中國加速落地。
目前華為、飛騰兩家廠商的產品已經收獲了越來越多的合作伙伴，為開放架構HPC的廣泛應用做好了準備。
其中，基于鯤鵬芯片的TaiShan系列服務器就推出有專門面向HPC的高性能型，全球已經有 10 家整機廠商基于鯤鵬芯片推出自由品牌服務器，應用在制造、交通、交通、金融等不同領域。
飛騰用于商業 HPC 的服務器芯片達到了3款，背靠著企業本身超4500+生態伙伴與300余家集成商，在ARM 指令集兼容HPC領域同樣大有可為。
隨著華為將openEuler歐拉貢獻出去，更多的生態伙伴還在共同推動HPC基礎軟件的完善。
目前為止，面向企業級的開源操作系統歐拉已經構建起擁有全球開發者積極參與的操作系統開源社區，代碼倉庫逼近1萬，貢獻者超1.2萬，社區用戶已突破100萬。在這樣的基礎之上，歐拉累計裝機量達到245萬套，在服務器操作系統的新增市場份額不斷提升，為HPC的發展提供了更優的操作系統選擇。
另外，麒麟軟件等數十家基礎軟硬件企業、非營利性組織、社團組織、高等院校、科研機構和個人開發者共同創立了開源社區 OpenKyling，這個社區也正在推動其 ARM指令集兼容架構上的開放操作系統發布。
最后，是廣泛的市場讓ARM指令集兼容HPC能夠快速證明自己、產生價值，從而反哺技術與生態，更好地前行。
白皮書顯示，在中國，ARM 指令集兼容架構已在多種類型的頭部客戶獲得深入成熟使用。
在高校，典型如上海交通大學上線了國內高校首個基于鯤鵬的校級HPC系統，采用雙路鯤鵬處理器作為節點，為用戶提供18 款常用的高性能計算軟件，覆蓋材料科學、生命科學、大氣科學和流體力學 4 大HPC應用領域，2021年4月開放至今服務了74 個課題組，計算作業數量超 100 萬個。
在超算中心方面，國家超級計算濟南中心、天津中心、長沙中心及武漢超算中心等都建設有基于鯤鵬處理的系統。
在制造業，上汽大眾借助華為鯤鵬高性能解決方案擴容 HPC 仿真系統，滿足了業務高速擴展下的研發效率提升需求，縮短產品開發周期、提升產品質量、降低設計成本。
在運營商賽道，浙江移動的大數據平臺充分發揮ARM 指令集兼容架構的鯤鵬優勢，打破了數據分析耗時瓶頸，提升了整體性能。
此外，在金融業，飛騰的ARM指令集兼容集群在金融業得到了廣泛應用，滿足了行業深刻的去IOE需要。
幾乎在所有需要計算的產業領域，都在出現ARM指令集兼容HPC的蹤跡，并以其實際價值獲得了廣泛認同。
ARM指令集兼容，讓HPC走出全新路線
ARM指令集兼容，是HPC技術的一次“變調”。前述所有內容，都在表明HPC產業界在這方面已經做好了充分的準備，只待更多玩家的加入。
對HPC領域的參與者來說，下一步，在生態開放、技術自主的理念下，加入到ARM指令集兼容HPC路徑上來，共同推動這一生態加速發展、實現共贏，將成為更好的選擇。
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