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美國(guó)重奪超算第一背后:英偉達(dá)GPU提供了95%計(jì)算力

2018-06-12

時(shí)隔5年后,美國(guó)暫時(shí)奪回了世界超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的頭把交椅。美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月8日,美國(guó)能源部下屬橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布,他們研發(fā)出的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”(Summit),浮點(diǎn)運(yùn)算速度峰值可達(dá)每秒20億億次,接近“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的兩倍。據(jù)悉,這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)由IBM公司負(fù)責(zé)制造,搭載了近28000塊英偉達(dá)GPU,逾9000個(gè)IBM傳統(tǒng)處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)。


GPU即圖像處理器。理解 GPU 和 CPU 之間區(qū)別的一種簡(jiǎn)單方式是比較它們?nèi)绾翁幚砣蝿?wù)。CPU 由專為順序串行處理而優(yōu)化的幾個(gè)核心組成,而 GPU 則擁有一個(gè)由數(shù)以千計(jì)的更小、更高效的核心(專為同時(shí)處理多重任務(wù)而設(shè)計(jì))組成的大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)。這次英偉達(dá)提供的GPU為“頂點(diǎn)”提供了95%的計(jì)算力。

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“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)


自2013年6月中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)首次成為最強(qiáng)超算之后,美國(guó)就不再擁有世界上最強(qiáng)大的超算。全球超算TOP500組織的超級(jí)計(jì)算機(jī)官方排名將在本月底更新,“頂點(diǎn)”有望結(jié)束這一局面。


雖然超級(jí)計(jì)算機(jī)在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)中心時(shí)代略微失色,但是很多棘手的計(jì)算問(wèn)題還是需要大型機(jī)器。去年美國(guó)政府的一份報(bào)告中稱,美國(guó)應(yīng)該在超級(jí)計(jì)算上投入更多,以在核武器和高超音速飛機(jī)等國(guó)防項(xiàng)目,航空航天工業(yè)、石油開采和制藥業(yè)的商業(yè)創(chuàng)新方面趕上中國(guó)。

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美國(guó)能源部長(zhǎng)里克·佩里推特截圖


美國(guó)能源部長(zhǎng)里克·佩里認(rèn)為,“頂點(diǎn)”超算將給能源研究、科學(xué)發(fā)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。


橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)成立于1943年,最初是作為美國(guó)曼哈頓計(jì)劃的一部分,以生產(chǎn)和分離鈾和钚為主要目的建造的,原稱克林頓實(shí)驗(yàn)室。他們的使命是攻克美國(guó)當(dāng)下面臨的最嚴(yán)峻的科學(xué)難題,并且開發(fā)新技術(shù),為人類創(chuàng)造更加美好的生活,保護(hù)人類。


27648塊英偉達(dá)GPU+9000個(gè)IBM傳統(tǒng)處理器


根據(jù)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布的數(shù)據(jù),“頂點(diǎn)”占地面積相當(dāng)于兩個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小,其循環(huán)系統(tǒng)每分鐘需要消耗4000加侖(約等于15142升)水來(lái)使37000個(gè)處理器降溫。利用評(píng)估超級(jí)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)度量的結(jié)果顯示,“頂點(diǎn)”的浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)20億億次每秒。這比美國(guó)此前制造的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Titan”的速度快了100倍。

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IBM公司CEO、美國(guó)能源部長(zhǎng)里克·佩里、英偉達(dá)CEO


而“頂點(diǎn)”超強(qiáng)的計(jì)算機(jī)力有95%來(lái)自英偉達(dá)為其提供的GPU,即搭載了27648塊Tensor Core的英偉達(dá)Volta圖形處理器,可以讓“頂點(diǎn)”進(jìn)行每秒超30億億次(3.3 exaops)的混合精密計(jì)算。


伊利諾伊大學(xué)香檳分校、美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心的研究員Eliu Huerta將“頂點(diǎn)”巨大的 GPU 池形容為“就像夢(mèng)境一樣”。


GPU即圖像處理器,它與一般計(jì)算機(jī)的中央處理器(CPU)不同之處在于:CPU由專為順序串行處理而優(yōu)化的幾個(gè)核心組成,而GPU則擁有一個(gè)由數(shù)以千計(jì)的更小、更高效的核心(專為同時(shí)處理多重任務(wù)而設(shè)計(jì))組成的大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)。


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數(shù)年前,有研究人員發(fā)現(xiàn)圖形處理器的并行運(yùn)行能力,非常適合運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法。英偉達(dá)也正是借著人工智能的浪潮,推出GPU,迅速占領(lǐng)了市場(chǎng),甚至影響到了英特爾在計(jì)算機(jī)芯片市場(chǎng)里的地位。


橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Thomas Zacharia表示,如此大規(guī)模的GPU使用對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)并不常見,它有助于機(jī)器學(xué)習(xí)在解決科學(xué)難題方面做出突破。


除了有英偉達(dá)的GPU的幫助外,IBM提供的超過(guò)9000個(gè)傳統(tǒng)處理器也功不可沒(méi)。


“頂點(diǎn)”成為尖端科學(xué)家的“游樂(lè)場(chǎng)”


“頂點(diǎn)”超強(qiáng)的計(jì)算威力,也讓科學(xué)家們相信它能在未來(lái)創(chuàng)在奇跡。

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“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)外觀


橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為尖端科學(xué)家的“游樂(lè)場(chǎng)”,許多高校的科學(xué)家們迫切希望利用這臺(tái)計(jì)算機(jī)完成此前不可能完成的任務(wù)。


Huerta就表示,他希望“頂點(diǎn)”能夠幫助分析每晚從“大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡”得到的大約15TB 圖像。


據(jù)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的介紹,“頂點(diǎn)”接下去的“行程”安排十分密集,已經(jīng)排上日程的項(xiàng)目有:


一是癌癥研究。美國(guó)能源部和美國(guó)國(guó)家癌癥研究正在做一個(gè)癌癥分布式學(xué)習(xí)環(huán)境的項(xiàng)目。他們的目標(biāo)是開發(fā)研究工具,可以自動(dòng)提取、分析和分類健康數(shù)據(jù),以揭示隱藏疾病因素之間的關(guān)系,如基因,生物標(biāo)志物和環(huán)境。


二是聚變能研究。聚變能長(zhǎng)期以來(lái)一直是清潔、能量豐富的能源代表。科學(xué)家們一直希望能夠模擬聚變反應(yīng)堆及其磁約束等離子體,加快商業(yè)發(fā)展。


三是疾病和成癮性研究。這項(xiàng)研究中,研究者將使用人工智能來(lái)識(shí)別人類蛋白質(zhì)和細(xì)胞系統(tǒng)的功能和進(jìn)化模式。這些模式可以幫助我們更好地了解阿爾茨海默氏癥、心臟病或成癮,并告知藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程。


除了上述的項(xiàng)目外,“頂點(diǎn)”還能在化學(xué)和生物學(xué)問(wèn)題上給予更多的幫助。Zacharia認(rèn)為,這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)可以使用來(lái)自2200萬(wàn)退伍軍人的醫(yī)療記錄為美國(guó)能源部項(xiàng)目做出貢獻(xiàn),其中包括約 25 萬(wàn)全基因組序列。


“頂點(diǎn)”能為人工智能(AI)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的整合提供了前所未有的機(jī)會(huì),使研究人員能夠?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用到人類健康、高能物理、材料探索等領(lǐng)域的問(wèn)題研究上。


5個(gè)關(guān)于“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)的事實(shí)


1.20億億次浮點(diǎn)運(yùn)算:這意味著如果地球上每個(gè)人做一次一秒的計(jì)算,那么需要花費(fèi)1年的時(shí)間,才能達(dá)到“頂點(diǎn)”一秒的計(jì)算量。


2.30億億次混合精密計(jì)算:這意味著如果地球上的每個(gè)人做一次一秒的計(jì)算,那么需要花費(fèi)15年時(shí)間,才能達(dá)到“頂點(diǎn)”一秒的計(jì)算量。


3.在早期的測(cè)試中,一個(gè)基因研究組利用“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī),花費(fèi)了1個(gè)小時(shí)解決了問(wèn)題,但如果將這個(gè)問(wèn)題放在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,可能需要30年時(shí)間。


4.“頂點(diǎn)”的占地面積相當(dāng)于2個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小。


5.“頂?shù)住钡闹亓肯喈?dāng)于一架商業(yè)噴氣機(jī)的重量。


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