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長久以來，高性能計算（HPC）給人的印象總是神秘且高深。這是因為它主要是學術界用來推進基礎科學發現和探索的手段，比如上到宏觀的宇宙大爆炸模擬、下到微觀的量子物理和分子動力學研究，這種級別的話題一拋出來，就會有“生人勿近”的感覺。
然而，新冠肺炎對我們的突然襲擊，讓很多人重新認識了高性能計算：它非但不“高冷”，對熱點事件的反應還出人意料的快——不論是中國還是全球，領先的基因與藥物研發機構，在高性能計算的支持下，少則數小時，多則幾天就破解了新冠病毒的結構，并立即開始疫苗的研制。
可以說，正是高性能計算在算力上的爆發式增長，讓過去以“年”來計算時長、且需要無數次實驗來糾錯的病毒和疫苗研究過程發生了翻天覆地的變化，這種變化還不能只用一個“快”字來概括，而是“快”與“精準”兼顧。
“高性能計算是改變世界和豐富地球上每個人生活背后的創新，”在日前于珠海舉辦的2021 CCF全國高性能計算學術年會（CCF HPC China 2021）上，英特爾公司副總裁Trish Damkroger就在其主題演講中這樣總結道：“每天都有新的用戶憧憬使用高性能計算系統的新方法來應對越來越多的高性能計算和AI的挑戰。例如制造企業利用高性能計算系統來設計性能更好的運動裝備，鐵路公司使用托管的天氣預報服務來避免脫軌，藥劑師使用機器學習來查明藥物中的有害成分。”
Trish的話，對于整個高性能計算行業而言已不僅僅是思想上的共鳴，而是正演進為重塑這一技術及行業的共振。親歷了這場中國頂級高性能計算行業峰會，并站在E級 （Exascale，百億億級）計算時代門前的業內同仁，不論是來自最終用戶、產品技術提供商還是研究機構，可能都在思考：高性能計算還會在哪些行業、哪些領域和場景引發創新的裂變反應？它達成E級算力并與AI和大數據實現了更為充分的融合后，又會帶來哪些前所未有的可能？
圖一 CCF HPC China 2021上的英特爾展位
這兩個問題，或許每個專業人士的心里都有自己的答案，普通大眾也會有自己的那份期盼，暫時讓我們過濾掉這種多樣性和復雜度，僅就剛才提到的醫療及生命科學領域做個展望。
更多疑難雜癥將迎來精準療法或藥物
上面這句話，就是高性能計算未來升級到E級計算時代，并與AI和大數據深度融合后，即將為這個領域帶來的變化。
正如前文提到的，高性能計算已經顯著縮短了新冠病毒分析和疫苗的研發時間，拯救了數億普通人的生命。如果把它，特別是有了E級計算能力的它用于更為廣泛的醫療細分領域，那么它又快又精準的效果，也會隨之擴展到這些細分領域。
一個典型的例子就是美國著名影星安吉麗娜·朱莉，她有家族性乳腺癌史，在做了基因檢測之后，結果顯示她患乳腺癌的風險高達87%，于是她與醫生商量后進行了預防性乳腺切除，把乳腺癌風險降低到了5%以下。
這種融合基因測序、分子診斷等手段、并由高性能計算加速的精準醫療方案，目前還只能惠及少部分人，主要原因就是高性能計算的整體算力還有所不足，無法為更多個體提供同樣精準和快捷的服務。而且目前醫學領域的基礎研究與臨床醫學也處于分立的狀態，這讓很多基礎研究偏離了解決實際需求的出發點，無法更高效地作用于醫學的發展和進步。
于是，在高性能計算演進的同時，能更有效利用它的轉化醫學概念也被提出，它就是要把基礎醫學研究與臨床實踐更緊密地結合起來，通過多學科交叉合作實現“從實驗室到臨床”的雙向且高效的轉化。
在這個方向上，作為中國第一個，也是目前唯一建成的國家級綜合性轉化醫學中心——上海交通大學附屬瑞金醫院轉化醫學中心很有發言權，其重點研究方向聚焦在腫瘤（包括白血病）、代謝性疾病和心腦血管疾病等領域，其實踐過程就是需要收集全面多維的患者生物信息數據，然后基于海量數據的挖掘和分析，最終形成更個性化且精準的診療方案，然后再把這些方案涉及的新療法和新藥物普及開來。
這一過程說起來簡單，但在落實時卻十分復雜，僅在數據的收集、傳輸、存儲和處理環節就面臨重重困難，根本原因就是其涉及到本就龐大且還在持續增長的數據量。畢竟，單個人類全基因測序分析涉及的數據就高達870GB，再加上招募的患者病情通常比較危急，要求數據處理越快越好。另一方面，由于不同轉化醫學研究團隊都需要同時訪問海量數據庫，所以，數據并行訪問的性能，就與算力一起，成為了影響整體效率高下的關鍵。
為此，瑞金醫院轉化醫學中心搭建了一個集存、傳、算、用為一體的定制化超算平臺，其中不但導入了英特爾至強可擴展處理器的強勁算力和高效算法來保障超算平臺的計算性能，還使用了“英特爾傲騰持久內存+分布式異步對象存儲 (DAOS)”的方案，來滿足轉化醫學實時、高頻和高效訪問數據的需求。
圖二 瑞金醫院轉化醫學中心對DAOS優勢的剖析
瑞金醫院轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）生信大數據平臺共同負責人呂綱就在本次HPC China年會上表示：“DAOS充分發揮了英特爾傲騰持久內存的性能，提供了高帶寬、低時延以及優異的小文件并發性能。對應全球IO500排行榜的公開數據，這將是生信領域第一個可以沖擊榜單前十的系統，也是一個突破天花板的里程碑。”
呂綱在這里提到的英特爾傲騰持久內存，就是英特爾目前的高性能計算產品技術組合中的重要成員。它與DRAM相比，性能相近，但容量、耐用性和性價比更高，還有掉電不丟數據的獨家本領。DAOS在軟件上針對持久內存的特性做了優化，從而顯著提升數據存儲的訪問效率。按呂綱的話說，就是：“以前做全基因組測序需要花近168小時，有了定制的生信計算平臺，不到8小時就可以完成！這為挽救患者生命爭取最佳治療時機提供了保障。“
說E級盼E級，E級實現不容易
有了瑞金醫院轉化醫學中心的開創性工作，并伴隨更多轉化醫學中心的建立、運作和輻射，更多疾病，尤其是疑難雜癥就有望獲得更為精準的療法和藥物的支持，甚至被攻克。但這一愿景的落地，也離不開高性能計算的進一步發展演進。當然，高性能計算發展和演進惠及了很多行業。相信隨著E級計算時代的到來，它必將在更多的行業中激發出更多讓人意想不到的創新。
E級計算既然有這么大的價值，那還不廢寢忘食、日以繼夜地加速搞定？
這一點，可沒有圈外人想象得那么簡單。畢竟，它的算力水平，就是每秒鐘要實現百億億次浮點運算。用一個形象但不夠精確的方式來解釋，它一瞬間的計算量，需要地球上的所有人持續不停地算上四年時間。
要實現如此級別的算力，現有的高性能計算技術必然要進行大的變革甚至是顛覆。而一個大家都已公認的方向，就是必須要導入基于異構架構的基礎設施。
所謂異構架構，翻譯成易懂的語言就是：CPU要有，GPU也要上，FPGA和ASIC（專用芯片）都有更好，總之……不論通用算力還是特定加速，一個都不能少！
英特爾近幾年來被頻頻提及的XPU戰略，就是這種異構架構創新方向的具體體現。
先說說這個架構中的CPU，它在未來的XPU時代大概率仍會扮演C位角色，算是通用算力的主要輸出和整個平臺的總控。例如今年剛剛發布的第三代英特爾至強可擴展處理器，就一方面借助創新內核架構、對最多40個內核和英特爾深度學習加速等技術的集成來實現通用算力，同時兼顧了對AI應用的加速。
來自實測的數據，證明這些技術的使用確實是立竿見影：與上一代相比，第三代至強可擴展處理器將金融領域的蒙特卡羅、布萊克-舒爾斯和二項式期權定價模型等應用的性能分別提升了高達70%、67%和28% ；將生命科學領域的NAMD、GROMACS、LAMMPS和 RELION的性能分別提升了高達57%、64%、60% 和 61%；將制造業中的 CONVERGE、NUMECA、OpenFOAM和Altair Radioss的性能分別提升了高達52%、61%、51%和47% 。而AI推理性能上，它相比前一代產品也提升了74%。
圖三 英特爾高性能計算產品組合現階段的核心——第三代至強可擴展處理器
另一方面，業內人士也非常看重第三代至強可擴展處理器在IO能力上的升級，特別是支持PCI-e 4這一進步，讓它能與更多高性能 GPU 搭配。
下一代至強可擴展處理器 Sapphire Rapids 相比之下就更加讓人期待：它將會采用全新模塊化SoC架構，除了最多可支持 56個內核以及112線程外，它更吸引人的地方是一股腦導入了對DDR5、PCIe5 、CXL 和HBM技術的支持，可以進一步增強內存、存儲和互連的性能，而且這款產品還會集成 AMX（高級矩陣擴展）技術，讓CPU在運行矩陣運算任務時，擁有更顯著的加速效果。
圖四 英特爾公司副總裁 Trish Damkroger 展望下一代至強可擴展處理器的規格特性
與Sapphire Rapids主要提升通用計算性能相對應的，就是Ponte Vecchio將為高性能計算和人工智能帶來的更強加速能力。根據Trish Damkroger的介紹，這款由47種不同芯片模塊組合而成的英特爾GPU，將采用靈活的數據并行向量矩陣引擎來處理一系列高度并行的工作負載，以助力加速 E 級計算愿景的實現。它可提供超高的雙精度浮點運算吞吐量并提供超高緩存和內存帶寬，以滿足需要高內存帶寬的應用程序的需求。
圖五 集領先架構和多種先進制造、封裝技術于一身的Ponte Vecchio
異構架構雖然主要會落實在硬件上，但它并不只是硬件需要面對的機遇和挑戰。“異構系統增加了對可擴展軟件方法的需求，這種軟件應該能在堆棧的不同層級工作，” Trish Damkroger指出，“英特爾推出了oneAPI 行業計劃來幫助應對這一挑戰。”
圖六 英特爾在本次HPC China上分享的oneAPI技術演示
oneAPI為充分簡化跨CPU、GPU、FPGA及其他加速器的異構計算應用開發及優化而生，肩負著推進和落實XPU戰略的重任。它不僅能夠提供編譯器、庫和分析工具，還支持AI和HPC應用加速的AMX、VNNI/DL Boost 指令和內存技術等功能。其目標，就是為更多相關應用負載提供更優的支持，并實現異構計算“一次編譯，處處運行”。
圖七 英特爾現在已大部分就緒，明后兩年就會完全就緒的高性能計算產品組合
從硬件到軟件再到產品組合，從計算到存儲再到互聯，英特爾向高性能計算市場交出的答案就是豐富、多維、軟硬兼施的完整產品技術組合。至強是這一組合現階段的核心，上文提及的oneAPI、傲騰持久內存和DAOS也同樣是其不可或缺的部分。Sapphire Rapids和Ponte Vecchio則會為這個組合第一次帶來“雙主角”的配置。
不過更值得說明的是，不論是現階段以CPU為主的組合，還是未來CPU與GPU協作的組合，英特爾提供這種組合，而非單獨CPU支持的根本原因，都是要實現“均衡”。英特爾對這種均衡的解讀，一是要實現數據全鏈路，包括計算、存儲和傳輸的均衡提升和優化，以避免平臺出現性能短板和瓶頸；二是要實現對通用計算和專用加速能力的兼顧和均衡提升，以滿足高性能計算應用多樣化+差異化+融合化的需求。而不論是這兩種解讀中的哪一種，目前整個業界幾乎也只有英特爾具備足夠的實力將之實現。
圖八 英特爾在本次HPC China現場展示的部分高性能計算硬件產品
高性能計算要持續創新：超級力量和生態合作需并重
雖然Sapphire Rapids和Ponte Vecchio的指標非常誘人，但它肯定不是英特爾在高性能計算領域的創新終點。同樣，盡管E級計算現在還是一個頗有難度的創新目標，但它也遲早會成為高性能計算創新史書上的里程碑之一。
在它們達成之后技術和產業又會發生哪些新的變化，這才是大家目前更為好奇的話題。
雖然同樣沒有一個標準答案，但英特爾CEO帕特.基辛格最近提出的“四大超級技術力量”，或許可以幫我們撥開些許迷霧。“這四種超級力量分別是無處不在的計算、無處不在的連接、從云到邊緣的基礎設施，以及人工智能，”英特爾公司市場營銷集團副總裁、中國區行業解決方案部總經理梁雅莉表示：“每一個超級力量都有其特質，同時也相得益彰，創造了強大的全新可能性。”
圖九 英特爾公司市場營銷集團副總裁、中國區行業解決方案部總經理梁雅莉
雖然提到可能性，就會有很多種可能，但梁雅莉還是鎖定了一個重要的方向，即萬物智能化，它是在萬物數字化、萬物網絡化、萬物移動化和萬物云化基礎上衍生出來的更大變革。“它將讓人們對計算的需求呈指數級增長，”梁雅莉表示：“具備E級計算能力的高性能計算，就是支持這個轉變的重要基礎設施之一。”
圖十 將賦能“萬物智能化”變革的四大超級技術力量
賦能萬物智能化的目標，肯定不是一家企業能夠達成的愿景。就像在高性能計算領域不能只靠一個CPU或GPU，要憑產品組合打天下，在實現如此創新愿景的過程中，英特爾也在呼喚來自廣泛生態系統合作伙伴的支持。
很明顯，合作伙伴的響應很是積極——僅本次HPC China大會上，英特爾就聯合十五家合作伙伴，展示了它們在高性能計算系統和解決方案上的最新成果，其中三家的實物展示還“嵌入”到了英特爾展區中，它們分別是新華三集團基于第三代英特爾至強可擴展處理器、英特爾傲騰持久內存、英特爾SSD Optimizer 存儲構建的通用液冷服務器 H3C UniServer R4900 G5 以及整體液冷解決方案，聯想基于第三代英特爾至強可擴展處理器的 ThinkSystem SD650 V2 溫水水冷服務器，以及同樣基于該款處理器的寶德HPC&AI集群解決方案。
圖十一 H3C UniServer R4900 G5服務器不僅提升了服務器性能，也可有效減低噪音，助力“雙碳”目標實現
圖十二 聯想ThinkSystem SD650 V2溫水水冷服務器使用銅質水回路實現成本縮減和更高散熱效率，能為要求嚴苛的 HPC 工作負載提供更可靠的支持
圖十三 寶德 HPC & AI 集群解決方案能充分釋放英特爾深度學習加速技術的潛能，助用戶獲得將HPC和AI有機融合的應用體驗
寫在最后
經過多年發展，高性能計算終于吹響了向E級計算時代沖刺的總攻號角，此為“勢”正成。
英特爾與合作伙伴的關系更加密切、對創新的傳遞和放大更為明顯，此為“道”已顯。
英特爾高性能計算產品技術組合的成員越來越多維和豐富，搭配后還能帶來更強的加成效果，此為“術”漸精。
這種道、術、勢三合一帶來的天時+地利+人和，就是英特爾持續發力高性能計算創新的底氣所在。
同樣，一場席卷全球的新冠肺炎，也為更多人接觸、了解甚至是應用高性能計算帶來了一個意料之外的契機，也讓大家認識到，正是由于人類對于包括健康在內的更美好生活永不停歇的追求，才會對高性能計算不斷提出更高的要求，同時也推動著高性能計算的普及。
當追求美好遇見勇于創新，會有怎樣的化合作用？過去的，我們已經見證；未來的，讓我們拭目以待。雷鋒網雷鋒網雷鋒網
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