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走向計(jì)算架構(gòu)的下一個(gè)十年：超算引發(fā)體系革命
5G商用牌照的快速落地，意味著我們正加速走向數(shù)據(jù)量爆發(fā)的新世代。對(duì)于計(jì)算領(lǐng)域而言，則是要適配更碎片化的復(fù)雜需求。
近日舉行的2019年國(guó)際智能計(jì)算機(jī)大會(huì)上，中國(guó)工程院院士李國(guó)杰指出，在當(dāng)前摩爾定律接近失效的階段，下一個(gè)十年將出現(xiàn)全新計(jì)算機(jī)架構(gòu)的“寒武紀(jì)”大爆發(fā)。他甚至呼吁，“未來十年應(yīng)該有IBM360和RISC一樣重大的體系結(jié)構(gòu)發(fā)明，中國(guó)學(xué)者應(yīng)該做出不愧于時(shí)代的貢獻(xiàn)?！?
現(xiàn)階段的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展確實(shí)影響到了算力效果。國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心主任張?jiān)迫?1世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，從近期發(fā)布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜單中可以發(fā)現(xiàn)，算力增長(zhǎng)速度和更新速度都在放慢。這意味著在摩爾定律走向失效過程中，廠商迭代處理器的熱情也在放緩。
在云計(jì)算、量子計(jì)算等新興技術(shù)的推動(dòng)下，超級(jí)計(jì)算的演進(jìn)也將融入更多元廠商的智慧。而底層架構(gòu)方面，經(jīng)歷過以PC時(shí)代英特爾X86的主導(dǎo)、移動(dòng)時(shí)代ARM架構(gòu)的主導(dǎo)之后，RISC-V被視為有望成為下一個(gè)接棒的著力點(diǎn)所在。
產(chǎn)業(yè)內(nèi)生和外部環(huán)境變化之下，計(jì)算世界正延伸出更大的底層想象力和應(yīng)用空間。新技術(shù)與超算的交融
在ABC（人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算）等技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，超級(jí)計(jì)算與之也有了更深切的結(jié)合點(diǎn)。
李國(guó)杰就將超算上升到了“智能超算”的定義，將其理解為面向智能應(yīng)用的超級(jí)計(jì)算機(jī)。他指出當(dāng)前超算的能效增長(zhǎng)已遠(yuǎn)低于速度增長(zhǎng)，這是產(chǎn)業(yè)70年發(fā)展中首次出現(xiàn)的情形?！按髷?shù)據(jù)計(jì)算的能效已低至20-200 KOPJ，這意味著70年未有之大變局?！彼M(jìn)而指出，目前任何新器件都不可能解決低功耗問題，需要跨層協(xié)同。同時(shí)，研究智能超算要著眼于“低熵”特征的未來架構(gòu)，通過全棧的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不確定挑戰(zhàn)，從而保障可預(yù)期的性能和結(jié)果。
國(guó)家超算深圳中心主任馮圣中在接受采訪時(shí)也認(rèn)為，面向AI的超算意味著需要對(duì)計(jì)算機(jī)能效比進(jìn)一步提升。假如要求手機(jī)端通過AI芯片加速器實(shí)現(xiàn)能效提升10倍，對(duì)于超算則意味著同樣成本前提下提高到100倍。“這對(duì)超算的系統(tǒng)搭建和應(yīng)用，意味著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。”而從實(shí)現(xiàn)路徑上看，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算與云計(jì)算其實(shí)存在一定程度的路徑融合。
在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者專訪時(shí)張?jiān)迫硎?，傳統(tǒng)超算中心與新興互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都有超算需求，在同時(shí)支持人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)趨勢(shì)之下，二者也正在向彼此靠攏。
“目標(biāo)一樣，但路線不大一致?！彼m(xù)稱，從云計(jì)算出發(fā)支持高性能計(jì)算的模式被稱為高性能云，是云廠商著力的方向；傳統(tǒng)超算則希望從超算角度支持云業(yè)務(wù)的發(fā)展。這導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如今也希望參與到傳統(tǒng)超算的建設(shè)中來，當(dāng)然目前尚未出現(xiàn)成功案例。
早期超算與云計(jì)算曾有一定時(shí)期的互斥，這是源于虛擬化后的云計(jì)算開銷太大，但超算追求的是極致性能。不過隨著云計(jì)算快速發(fā)展，虛擬化的消耗不斷降低，甚至一些云廠商已經(jīng)將其降到可被忽略的程度。
張?jiān)迫榻B道，目前業(yè)界形成的共識(shí)是，用Docker容器技術(shù)的云計(jì)算，進(jìn)而支持超算發(fā)展，其性能和技術(shù)發(fā)展水平都更為成熟。“今后超算中心會(huì)部署容器云，用它來輸出超算。”他進(jìn)一步指出，為了加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，超算中心正計(jì)劃與云廠商聯(lián)合發(fā)布高性能云產(chǎn)品，以期用不同形式把計(jì)算能力輸送出去。
濟(jì)南中心的愿景，是打造一個(gè)“算力工廠”。希望算力對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供的支持，能類比如今水電這類公共品的支持一樣，成為國(guó)家大科學(xué)裝置的聚集高地。
同樣將作為基礎(chǔ)設(shè)施的5G到來，意味著萬物互聯(lián)后帶來的爆發(fā)性數(shù)據(jù)量和更多樣的數(shù)據(jù)來源。這是超算發(fā)展中不可避免的下一個(gè)機(jī)會(huì)點(diǎn)。
馮圣中告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，目前包括電信運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備商、AI企業(yè)等都在自建機(jī)房用于解決內(nèi)部超算需求，并不是所有超算需求都會(huì)負(fù)載在中心，但前者會(huì)向中心進(jìn)行相應(yīng)咨詢。而對(duì)超算中心而言，5G對(duì)大數(shù)據(jù)處理要求會(huì)大幅提升，考驗(yàn)著超算中心如何管理和使用其能力。
這也意味著新應(yīng)用場(chǎng)景的次第爆發(fā)，“對(duì)深圳中心來說，今年以來，公安部門、金融機(jī)構(gòu)等都向我們提出了新需求，看如何在5G背景下做相關(guān)支持，服務(wù)的套餐也會(huì)有所不同?！?
張?jiān)迫獎(jiǎng)t認(rèn)為，從運(yùn)算鏈條上看，5G并不會(huì)很快對(duì)超算帶來很大影響?！?G意味著傳輸速度更快，文件更細(xì)碎，并發(fā)度更高。對(duì)超算來說，這意味著數(shù)據(jù)分布方式和處理模型的不同?！睆?jiān)迫嬖V21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，不過目前看來，首先沖擊的還是端側(cè)處理器的設(shè)計(jì)，經(jīng)歷過端側(cè)、云端后，才會(huì)落到超算這一階段。
新運(yùn)算時(shí)期的機(jī)會(huì)
計(jì)算領(lǐng)域正面臨一系列內(nèi)生和外部環(huán)境變化。從半導(dǎo)體行業(yè)本身而言，悲觀者認(rèn)為，在未來5-10年后，摩爾定律就將完全失效。這將是更底層的考驗(yàn)。
張?jiān)迫蛴浾咧赋?，在?dāng)前階段，一味更新處理器未必是好事?！皳Q新后效果差不多甚至更慢，但并行度卻更大了，對(duì)我們并不是好事。這導(dǎo)致程序編寫難度更大，可靠性也會(huì)不如從前?！?
因此，超算世界還面臨著下一個(gè)計(jì)算平臺(tái)是什么的問題。在量子計(jì)算、生物計(jì)算甚至光計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)展的當(dāng)下，產(chǎn)業(yè)也在尋找下一個(gè)革命性變化的出處。
面對(duì)業(yè)界有觀點(diǎn)認(rèn)為量子計(jì)算將替代超算，張?jiān)迫址穸ㄓ^點(diǎn)。他指出，歸根結(jié)底，量子計(jì)算也是一個(gè)計(jì)算工具，可以將之納入超算體系。
“二者各有優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算比較擅長(zhǎng)解決優(yōu)化類、并行度高的問題，如最優(yōu)路徑、藥物篩選、組合爆炸問題等，但并不適合浮點(diǎn)計(jì)算、科學(xué)計(jì)算。超算和量子計(jì)算并不是沖突關(guān)系，而可以互補(bǔ)。”他向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者解釋道，關(guān)于新材料領(lǐng)域的探索也在進(jìn)行，是否能找到延長(zhǎng)摩爾定律的條件，目前尚沒有確定性答案。
李國(guó)杰則指出，模擬計(jì)算值得重視?！斑B續(xù)變量的模擬計(jì)算是非圖靈計(jì)算。經(jīng)過60年的變遷，模擬計(jì)算有沒有機(jī)會(huì)東山再起，連續(xù)變量與離散變量的混合計(jì)算可能會(huì)開辟計(jì)算新天地。”
不過在底層架構(gòu)層面，開源指令集架構(gòu)RISC-V的興起正在吸引產(chǎn)業(yè)界眼球，尤其在目前移動(dòng)世界ARM架構(gòu)處于統(tǒng)領(lǐng)地位的情況下。印度就在熱烈擁抱RISC-V。
在前述大會(huì)期間，致象爾微電子科技創(chuàng)始人方之熙就指出，無論在數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)還是物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，功耗問題越來越嚴(yán)重，這是很難解決的問題。
而近幾十年來，微架構(gòu)創(chuàng)新極少，性能改進(jìn)不到位；微處理器設(shè)計(jì)過于依賴于軟件生態(tài)系統(tǒng)和軟件兼容性；安全、隱私和可靠性在微處理器設(shè)計(jì)中越來越重要；尚且缺乏用于新興應(yīng)用的微處理器技術(shù)，如AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等。這些都成為RISC-V興起的背景。
從芯片設(shè)計(jì)角度來說，RISC-V是比ARM更開放的模式，意味著不再會(huì)被大公司一家壟斷，而可以鼓勵(lì)小公司形成小社團(tuán)。對(duì)中國(guó)而言，將是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。
芯原股份創(chuàng)始人戴偉民也認(rèn)為，半導(dǎo)體技術(shù)達(dá)到了物理極限背景下，數(shù)據(jù)中心對(duì)計(jì)算的需求迅猛上漲，諸如深度學(xué)習(xí)在線預(yù)測(cè)、直播中的視頻轉(zhuǎn)碼、HTTPS加密等各類應(yīng)用對(duì)計(jì)算的需求已經(jīng)遠(yuǎn)超出CPU的處理能力。解決辦法就是通過硬件加速，采用異構(gòu)計(jì)算來提升處理性能。而RISC-V的特性正符合人工智能異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展需要。
“基于RISC-V來發(fā)展國(guó)產(chǎn)處理器是可以考慮的方向，需要進(jìn)一步研討?！睆?jiān)迫绱吮硎尽?
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