高性能計(jì)算行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展策略

文/陳世杰

社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，促使高性能行業(yè)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)于高性能計(jì)算行業(yè)也有了更高的要求。因而高性能計(jì)算技術(shù)應(yīng)加以創(chuàng)新，通過(guò)高效可行的應(yīng)用方法，提高應(yīng)用效果，促進(jìn)高性能行業(yè)長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。本文分析了高性能計(jì)算的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了高性能計(jì)算行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展策略。

現(xiàn)階段，高性能計(jì)算不斷被廣泛提及，它憑借自身高技術(shù)以及高利潤(rùn)的優(yōu)勢(shì)，能夠有效增強(qiáng)國(guó)家科技力量。因而加強(qiáng)高性能計(jì)算的應(yīng)用，有效發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，不僅有利于高性能計(jì)算自身的完善與優(yōu)化，對(duì)于其他行業(yè)發(fā)展也有著促進(jìn)作用，有利于社會(huì)整體發(fā)展。

一、高性能計(jì)算的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

大量基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，特別是生命科學(xué)以及氣候變化等領(lǐng)域都需要進(jìn)行密集計(jì)算以及海量數(shù)據(jù)處理，因而應(yīng)注重高性能計(jì)算的應(yīng)用，包括智慧城市、生命信息、網(wǎng)絡(luò)安全以及石油化工等領(lǐng)域。以聯(lián)想集團(tuán)為例，聯(lián)想作為全球領(lǐng)先的高性能計(jì)算方案供應(yīng)商，具備建設(shè)的高性能計(jì)算產(chǎn)品生態(tài)?，F(xiàn)階段，聯(lián)想在制造、生命科學(xué)以及教育科研等行業(yè)的高性能計(jì)算解決方案已經(jīng)十分成熟與領(lǐng)先，給行業(yè)變革提供了源源不斷的推動(dòng)力。

1.1 智慧城市

智慧城市通過(guò)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并傳輸至高性能計(jì)算平臺(tái)中，運(yùn)用集成處理，為居民生活以及城市決策等方面提供服務(wù)。然而由于收集到的數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大，因而智慧城市對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面的要求也在不斷提高。怎樣在諸多非結(jié)構(gòu)化視頻數(shù)據(jù)內(nèi)將目標(biāo)信息挖掘出來(lái)，依然為視頻信息處理的關(guān)鍵以及難點(diǎn)。[1]5G技術(shù)有效提高了傳輸速度，增加了接入終端的數(shù)量，有效縮減了延時(shí)時(shí)間，同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算提出了更高要求。高性能計(jì)算是智慧城市應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵和核心技術(shù)，因而該技術(shù)也遇到了全新的挑戰(zhàn)與發(fā)展契機(jī)。

1.2 生命信息

其一，基因數(shù)據(jù)。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，基因數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。但是因DNA內(nèi)信息較為復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)分析算法有著更高的要求。在基因組預(yù)測(cè)以及分析的過(guò)程中，機(jī)器學(xué)習(xí)有著廣泛的應(yīng)用范圍，如預(yù)測(cè)疾病表型以及識(shí)別剪切位點(diǎn)等。機(jī)器學(xué)習(xí)還能夠用于癌癥診斷、流行病以及遺傳等方面，并有著良好的發(fā)展空間。現(xiàn)階段，大多數(shù)問(wèn)題的預(yù)測(cè)能力未能滿足應(yīng)用預(yù)期要求，也未能透徹認(rèn)識(shí)到這部分抽象模型的具體解釋。想要將機(jī)械學(xué)習(xí)的效能有效發(fā)揮出來(lái)，高性能計(jì)算還應(yīng)對(duì)機(jī)械學(xué)習(xí)模型進(jìn)一步進(jìn)行研究與探索。

其二，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于蛋白質(zhì)而言，高性能預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)有利于對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行透徹了解。蛋白質(zhì)作為所有生命系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠發(fā)揮生物功能，離不開(kāi)其對(duì)特定3D結(jié)構(gòu)加以折疊。在3D結(jié)構(gòu)解析方面，核磁共振及X射線等實(shí)驗(yàn)方法具有成本高的特點(diǎn)，因而如何自動(dòng)且準(zhǔn)確地對(duì)蛋白質(zhì)特定折疊進(jìn)行計(jì)算，仍需要高性能計(jì)算不斷地深入研究。[2]

1.3 網(wǎng)絡(luò)信息安全

只有確保網(wǎng)絡(luò)信息安全，才能為保護(hù)國(guó)家信息安全奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息安全，高性能計(jì)算也有著廣泛的應(yīng)用范圍和良好效果。

其一，網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)。網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息安全構(gòu)想等創(chuàng)設(shè)出定性、定量評(píng)估環(huán)境，有著可靠性以及可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)在英國(guó)、日本以及澳大利亞等國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用?；诰W(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)一般需支持各安全等級(jí)環(huán)境之中的網(wǎng)絡(luò)偵查、防御以及攻擊測(cè)試等，靶場(chǎng)應(yīng)能夠擴(kuò)展虛擬節(jié)點(diǎn)，形成大量測(cè)試階段。比如，LARIAT技術(shù)能夠?qū)TTP及SSH等協(xié)議進(jìn)行模擬。

其二，隱私保護(hù)。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的深入發(fā)展，人們對(duì)隱私保護(hù)的重視程度不斷提高。由于大數(shù)據(jù)技術(shù)是把雙刃劍，研究人員能夠運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)將數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)挖掘出來(lái)，給決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。但是，網(wǎng)絡(luò)攻擊者也會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)間聯(lián)系加以運(yùn)用以及分析，從而打破數(shù)據(jù)隱私。比如，在治療患者的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)攻擊者能夠運(yùn)用社保以及消費(fèi)記錄等對(duì)患者信息加以推斷，嚴(yán)重威脅患者隱私。因此，高性能計(jì)算應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)隱私保護(hù)，提高保護(hù)力度與效果。[3]

1.4 石油化工

對(duì)于石油工業(yè)而言，高性能計(jì)算有著廣泛的應(yīng)用范圍，如數(shù)據(jù)處理以及油藏模擬等。其中，石油地震處理系統(tǒng)對(duì)計(jì)算環(huán)境以及運(yùn)算性能等方面有著較高要求，主要是因?yàn)槭托袠I(yè)數(shù)據(jù)較為龐大與復(fù)雜?；谛袠I(yè)現(xiàn)階段對(duì)高性能計(jì)算價(jià)格以及環(huán)境性能的要求，地震數(shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具備下述幾個(gè)特點(diǎn)。

其一，該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)，提高了處理中心的實(shí)際計(jì)算能力，能夠有效滿足特殊地震處理算法的實(shí)際需求，有利于壓縮成本。其二，在采集技術(shù)優(yōu)化以及地震數(shù)據(jù)量增加的影響下，企業(yè)計(jì)算環(huán)境中心應(yīng)由服務(wù)器變?yōu)榇鎯?chǔ)器。其三，該系統(tǒng)因計(jì)算能力需求，應(yīng)注重創(chuàng)新高性能計(jì)算方法以及技術(shù)的推廣，如GPU、CPU等。

以聯(lián)想集團(tuán)為例，其設(shè)計(jì)了HPC方案，能夠有效地對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方案節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)想刀片服務(wù)器來(lái)進(jìn)一步提高超強(qiáng)計(jì)算能力，進(jìn)而完成對(duì)地震資料處理的計(jì)算任務(wù)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，監(jiān)控網(wǎng)以及管理網(wǎng)均為聯(lián)想千兆以太網(wǎng)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)為線速萬(wàn)兆以太網(wǎng)或者InfiniBand網(wǎng)絡(luò)。存儲(chǔ)系統(tǒng)則運(yùn)用了DSS-D/DSS-G系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件為聯(lián)想LiCO高性能計(jì)算平臺(tái)。

二、高性能計(jì)算行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展策略

高性能計(jì)算行業(yè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，探究出恰當(dāng)?shù)牟呗裕龠M(jìn)自身的應(yīng)用與發(fā)展。

2.1 注重核心技術(shù)融合

高性能計(jì)算應(yīng)用的核心為算法以及模型，還注重應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)化，如編譯系統(tǒng)以及科學(xué)計(jì)算可視化等。相關(guān)研究顯示，美國(guó)能源部的計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)相對(duì)先進(jìn)，然而硬件投資未能超過(guò)總投入的六分之一，主要預(yù)算都在物理建模和軟件研制等方面。

現(xiàn)階段，社會(huì)已經(jīng)逐漸趨于智能化以及信息化，此過(guò)程離不開(kāi)計(jì)算的支持。目前，諸多先進(jìn)技術(shù)被研究出來(lái)并得以廣泛應(yīng)用，如云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及認(rèn)知計(jì)算等，特別是人工智能及高性能計(jì)算的融合逐漸變?yōu)橐环N發(fā)展趨勢(shì)。探究出有效的措施，將這些技術(shù)應(yīng)用在高性能計(jì)算中，有利于給重大科學(xué)問(wèn)題的研究與處理提供源源不斷的動(dòng)力。[4]在高性能計(jì)算行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，注重模型以及核心算法的融合至關(guān)重要。

2.2 促進(jìn)應(yīng)用軟件發(fā)展

高性能計(jì)算中的高端以及創(chuàng)新技術(shù)能對(duì)下游產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響，因而歐盟以及美國(guó)等都注重這方面人力、資金等的投資，促使技術(shù)一直保持領(lǐng)先地位。然而現(xiàn)階段，我國(guó)大型計(jì)算應(yīng)用軟件主要來(lái)源為國(guó)外進(jìn)口，軟件的自主研發(fā)程度較低。例如，大氣科學(xué)以及材料科學(xué)大部分應(yīng)用的是國(guó)外開(kāi)源軟件，計(jì)算流體力學(xué)大部分應(yīng)用的是國(guó)外商業(yè)軟件。

在高性能計(jì)算方面，我國(guó)在開(kāi)發(fā)軟件方面的資金投入占比略超10%。應(yīng)用場(chǎng)所以科研院所與高校為主，應(yīng)用領(lǐng)域大部分為工程計(jì)算及數(shù)據(jù)分析等。因而我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)用軟件的自主研發(fā)，加強(qiáng)人力、物力以及財(cái)力的投入，有效增強(qiáng)研發(fā)效率與效果，批量生產(chǎn)自主研發(fā)軟件，為高性能計(jì)算應(yīng)用創(chuàng)設(shè)廣闊的空間。

2.3 重視人才培養(yǎng)

任何行業(yè)發(fā)展的第一動(dòng)力都是人才，高性能計(jì)算也不例外，因而我國(guó)應(yīng)注重人才培養(yǎng)以及引進(jìn)。一方面，我國(guó)應(yīng)革新現(xiàn)階段大部分應(yīng)用發(fā)展的形式，使軟件研發(fā)人員、科學(xué)家等多方深度合作，對(duì)合作模式加以完善與創(chuàng)新。另一方面，我國(guó)應(yīng)注重應(yīng)用以及技術(shù)等層面問(wèn)題，有效提高高性能計(jì)算的研究與應(yīng)用水平，為其發(fā)展與應(yīng)用提供有力的人才支持。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，高性能計(jì)算有著不斷擴(kuò)展的應(yīng)用范圍，然而我國(guó)高性能計(jì)算實(shí)際應(yīng)用水平仍有較大的發(fā)展空間。因此，我國(guó)應(yīng)注重高性能計(jì)算軟件以及硬件環(huán)境一體化發(fā)展，為高性能計(jì)算應(yīng)用和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，給高性能計(jì)算行業(yè)提供源源不斷的發(fā)展動(dòng)力，充分發(fā)揮高性能計(jì)算的價(jià)值，促進(jìn)我國(guó)科技以及經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展。