近年來，從金融到汽車、從教育到醫(yī)療，人工智能技術(shù)，特別是以ChatGPT為代表的生成式人工智能，正在給整個(gè)世界帶來顛覆性體驗(yàn)。在如今這個(gè)“人工智能時(shí)代”，人工智能技術(shù)的發(fā)展離不開服務(wù)于AI算法訓(xùn)練和推理的高性能計(jì)算技術(shù)。

今天，我們就來聊一聊高性能計(jì)算。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的“皇冠”初次涉及高性能計(jì)算，可能許多人會(huì)按照字面意思理解為計(jì)算性能較好的算法，從而將其列入眾多算法之一。其實(shí)這種看法并不全面。高性能計(jì)算之于計(jì)算機(jī)科學(xué)，如同哥德巴赫猜想之于數(shù)學(xué)，是計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)十分耀眼的存在。在介紹高性能計(jì)算之前，我們要先介紹一下高性能計(jì)算機(jī)。

高性能計(jì)算機(jī)（HPC）是一種運(yùn)算速度極快、存儲(chǔ)容量極大、通信帶寬極高的計(jì)算機(jī)，又被稱作超級(jí)計(jì)算機(jī)，主要用于解決普通計(jì)算機(jī)解決不了的具有挑戰(zhàn)性的問題。高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了單計(jì)算機(jī)時(shí)代和多計(jì)算機(jī)時(shí)代。單計(jì)算機(jī)時(shí)代從20世紀(jì)60年代開始，以單一內(nèi)存向量機(jī)和對(duì)稱多處理器技術(shù)為主。20世紀(jì)90年代后逐步進(jìn)入到多計(jì)算機(jī)時(shí)代，其中采用商用網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)連接起來組成的集群逐步成為主流。直到今天，這依然是高性能計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建的主要方式。集群是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。假如說，互聯(lián)網(wǎng)是從外部將分立的計(jì)算機(jī)連接在一起，那么集群就是將網(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。往簡(jiǎn)單里說，其實(shí)就是將網(wǎng)絡(luò)連接的所有計(jì)算機(jī)看作一個(gè)整體，這個(gè)新的整體就是高性能計(jì)算集群。

或許這樣乍一看有些難懂，引用電影《西虹市首富》里的一句臺(tái)詞來解釋，就是“集中火力干事業(yè)”。就好比一臺(tái)計(jì)算機(jī)，我們平日里用其寫寫文檔、剪輯簡(jiǎn)單的日常生活視頻可能還很流暢，但是如果想實(shí)現(xiàn)大型三維8K高清動(dòng)畫渲染，就難以勝任，這說明當(dāng)前計(jì)算機(jī)的算力已經(jīng)不支持完成當(dāng)前的工作了。此時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，把這些設(shè)備的算力進(jìn)行疊加，就可以完成一臺(tái)計(jì)算機(jī)完不成的任務(wù)。高性能計(jì)算集群是將多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組織起來，通過高速網(wǎng)絡(luò)連接在一起的大規(guī)模并行計(jì)算系統(tǒng)。如果將普通計(jì)算比作人腦，那么高性能計(jì)算集群就是許多人腦連接成矩陣的“超級(jí)大腦”。在短時(shí)間內(nèi)，“超級(jí)大腦”具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以完成更多計(jì)算任務(wù)。

相較于普通計(jì)算機(jī)，高性能計(jì)算集群的運(yùn)算速度能夠達(dá)到令人難以想象的程度。此外，高性能計(jì)算還可以通過大規(guī)模的分布式計(jì)算技術(shù)，將單個(gè)計(jì)算任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)并行計(jì)算。好比如果需要烹制一桌宴席，一個(gè)團(tuán)隊(duì)擇菜、切菜、炒菜分工明確，多環(huán)節(jié)同時(shí)進(jìn)行，效率要比一個(gè)人獨(dú)立完成整桌宴席快得多。

高性能計(jì)算機(jī)采用高可靠性設(shè)計(jì)，具有超低的故障率以及較好的穩(wěn)定性和持續(xù)運(yùn)行能力。這也奠定了高性能計(jì)算在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的“皇冠地位”。

沒有最快，只有更快

談及高性能計(jì)算，或許不少讀者會(huì)以為這是近些年來伴隨科技發(fā)展的新興產(chǎn)物。殊不知，高性能計(jì)算已經(jīng)誕生并發(fā)展了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的不斷發(fā)展，高性能計(jì)算在很早以前就成了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)超級(jí)計(jì)算中心、法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)、日本計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)紛紛推出了一批超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，奠定了高性能計(jì)算的發(fā)展基礎(chǔ)。此后，超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)入了快速發(fā)展期。各國(guó)投入更多的資金用于高性能計(jì)算的研發(fā)和應(yīng)用。超級(jí)計(jì)算機(jī)性能速度不斷提升，各種新興應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。

1983年12月，中國(guó)第一臺(tái)每秒鐘運(yùn)算1億次以上的“銀河”巨型計(jì)算機(jī)成功問世，中國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后，第3個(gè)能獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造巨型計(jì)算機(jī)的國(guó)家。2013年6月至2015年11月，中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)世界超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜歷史上的六連冠。在高性能計(jì)算領(lǐng)域，有一個(gè)著名的千倍定律——每10年，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度就會(huì)提升1000倍。2018年，超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”以每秒20億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值，名列全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單榜首。4年后，在2022年6月公布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”的浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值已經(jīng)超過每秒100億億次。

這顯示了超算技術(shù)驚人的發(fā)展速度。每秒100億億次意味著什么呢？目前主流筆記本電腦運(yùn)算速度大概每秒10億次，要10億個(gè)這樣的筆記本同時(shí)計(jì)算，才能趕得上現(xiàn)在最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。百億億次超算，又稱E級(jí)超算，已成為國(guó)際上高端信息技術(shù)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。目前，世界各國(guó)在全球超算領(lǐng)域你追我趕，競(jìng)爭(zhēng)激烈。美、歐、日等國(guó)家和地區(qū)紛紛制定和推進(jìn)百億億次超算研制計(jì)劃。中國(guó)的3個(gè)E級(jí)（百億億次）計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)項(xiàng)目，已經(jīng)全面啟動(dòng)。歐洲即將推出首臺(tái)百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)“木星”，有望取得突破性的成就。

當(dāng)然，研發(fā)E級(jí)超算，目的并非單純比拼運(yùn)算速度，促進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用、解決國(guó)家面臨的挑戰(zhàn)性問題，才是關(guān)鍵。

算天、算海、算地、算人

如今，業(yè)內(nèi)人士常用“算天、算海、算地、算人”來形容高性能計(jì)算應(yīng)用的無所不在。

算天——高性能計(jì)算廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、航天器設(shè)計(jì)、研究天體物理等。基于超算平臺(tái)開發(fā)的精細(xì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能以每12分鐘實(shí)時(shí)刷新未來6小時(shí)的氣象變化數(shù)據(jù)，并且準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來15天以上氣象變化情況；研制一架大飛機(jī)，做全機(jī)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)過去需耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬仿真，幾天就能完成相關(guān)工作；2019年人類歷史上第一張黑洞照片終于問世，這張照片凝結(jié)了當(dāng)時(shí)世界最先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，也得益于超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析和處理。

算海——高性能計(jì)算在海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、古氣候模擬、海洋藥物、海洋勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，已經(jīng)成為人類認(rèn)識(shí)海洋、探索海洋的利器。

算地——高性能計(jì)算常用來支撐地質(zhì)鉆探、遙感測(cè)量、重大工程建設(shè)等。2023年5月，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量超算平臺(tái)，服務(wù)于地面沉降防治、地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別、地殼運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等，也可為油氣田開采、采空區(qū)塌陷、大型基礎(chǔ)設(shè)施健康診斷等提供信息支持。

算人——與人的生命健康有關(guān)的應(yīng)用，比如新藥研發(fā)、基因測(cè)序、腦科學(xué)等，都離不開高性能計(jì)算。近年來，各種新的檢查檢驗(yàn)設(shè)備、可穿戴設(shè)備等，使得醫(yī)生和研究人員更容易獲得個(gè)人的健康、疾病數(shù)據(jù)，有助于從更多維度了解疾病發(fā)生過程。高性能計(jì)算可以幫助研究者和醫(yī)生從大量數(shù)據(jù)中摸索出規(guī)律，從而更加精準(zhǔn)地診斷、治療疾病或者研發(fā)藥物。當(dāng)前，高性能計(jì)算最令人矚目的應(yīng)用，是超級(jí)計(jì)算機(jī)與人工智能的結(jié)合。有人形象地打了一個(gè)比方：如果說，人工智能是一座承載機(jī)器智能的摩天大樓，那么算法是設(shè)計(jì)圖紙，數(shù)據(jù)是建筑材料，算力則是地基。一方面，當(dāng)前人工智能對(duì)算力的需求呈指數(shù)式增長(zhǎng)，需要更高性能的硬件系統(tǒng)提供算力支持。從ChatGPT3.0到ChatGPT4.0，其突破離不開人工智能大模型對(duì)海量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)。

另一方面，超級(jí)計(jì)算機(jī)并非簡(jiǎn)單地堆砌硬件就能達(dá)到更高性能，其發(fā)展需要復(fù)雜而繁多的網(wǎng)絡(luò)、軟件等的互聯(lián)互通，這便離不開人工智能的支持。因此，超算系統(tǒng)需要從計(jì)算密集型向數(shù)據(jù)密集型轉(zhuǎn)變，將傳統(tǒng)超算、AI算法、大數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)具備面向海量數(shù)據(jù)的高性能分析能力的智能超算。

人類對(duì)超算應(yīng)用的需求沒有止境。專家表示，超算一直在幫助人類拓展邊界。宏觀擴(kuò)展如宇宙天體，微觀深入像生命科學(xué)，還有對(duì)一些極端情況的模擬。超算將繼續(xù)在這些尖端科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮作用。

未來發(fā)展或?qū)⒊跸胂?/strong>

花費(fèi)約200秒，就能完成傳統(tǒng)超算需要1萬年才能完成的計(jì)算任務(wù)——2019年，谷歌公司團(tuán)隊(duì)宣布成功演示“量子霸權(quán)”。這個(gè)消息引起軒然大波，一場(chǎng)全球范圍內(nèi)的“量子霸權(quán)”爭(zhēng)奪戰(zhàn)由此愈發(fā)激烈。量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算理論和技術(shù)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)可以不受物理結(jié)構(gòu)的局限，利用量子位及其相互作用在瞬間進(jìn)行大量計(jì)算，理論上能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算技術(shù)的計(jì)算性能。科學(xué)家們預(yù)言，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。那么，量子計(jì)算會(huì)取代原有的經(jīng)典計(jì)算嗎？今天，我們似乎有了一個(gè)明確的答案：不會(huì)，至少在短時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算無法取代經(jīng)典計(jì)算。

量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算基本原理不同、結(jié)構(gòu)不同，二者所擅長(zhǎng)計(jì)算的問題也不同，因此量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)并非“取代”與“被取代”的關(guān)系。從實(shí)際應(yīng)用角度，量子計(jì)算永遠(yuǎn)不會(huì)完全取代傳統(tǒng)超算，兩者各有所長(zhǎng)，將協(xié)同工作。此外，對(duì)于量子計(jì)算研究來說，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”只是第一個(gè)階段性目標(biāo)。目前來看，量子計(jì)算機(jī)還處于發(fā)展早期，技術(shù)上還存在許多挑戰(zhàn)和難點(diǎn)?！傲孔影詸?quán)”只是證明了在某個(gè)特定問題上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超過現(xiàn)有最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。比起已經(jīng)深入社會(huì)各行各業(yè)的高性能計(jì)算，量子計(jì)算想要實(shí)現(xiàn)商用還需要一段時(shí)間。不過，這并不意味著高性能計(jì)算就能“高枕無憂”。近年來，經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的有機(jī)融合，正在日漸成為重點(diǎn)研究方向。

中、美、日、歐等傳統(tǒng)高性能計(jì)算強(qiáng)國(guó)和地區(qū)，正在逐步開展量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算共同執(zhí)行的混合算法，探索量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的融合體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算系統(tǒng)等。在高性能計(jì)算的未來發(fā)展中，量子計(jì)算技術(shù)的地位將愈加凸顯。超級(jí)計(jì)算機(jī)將成為量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的深度融合系統(tǒng)，二者互為重要算力補(bǔ)充，面向不同類型的計(jì)算問題各自發(fā)揮出更大的作用。未來的高性能計(jì)算，將超乎我們的想象。

文字｜逯心一 范寬 高莉華來源｜中國(guó)軍網(wǎng)、新華社