國外高校如何推進(jìn)算力服務(wù)？

隨著研究領(lǐng)域的日趨擴(kuò)展，海量數(shù)據(jù)成為學(xué)術(shù)研究中的底層支柱，提供更優(yōu)化的算力服務(wù)也成為高校的關(guān)鍵任務(wù)。與此同時，不同高校具有不同特性，對于算力服務(wù)的需求也呈多元特征，推進(jìn)算力服務(wù)的方法也應(yīng)因需而變、因校而變。從校企合作到借助國家力量，從集中式設(shè)施到分布式部署，在不同客觀條件下，國外高校也都因地制宜、因勢利導(dǎo)，呈現(xiàn)出算力服務(wù)建設(shè)的多樣圖譜。

校企資源互融共建AI超級計算機(jī)

出于資金或技術(shù)上的需求，國外高校往往選擇與企業(yè)合作進(jìn)行超算建設(shè)，分擔(dān)建設(shè)成本。例如，人工智能超級計算機(jī)HiPerGator便由美國佛羅里達(dá)大學(xué)與英偉達(dá)公司合作建設(shè)。

該超級計算機(jī)共有1120個A100 GPU和2.5 PB全閃存高性能存儲系統(tǒng)，共有70000個核心，其中30000個核心各具備4GB內(nèi)存，而最新的40000個則有8GB內(nèi)存。測試高性能計算集群系統(tǒng)浮點性能的基準(zhǔn)程序HPL結(jié)果顯示，HiPerGator的英特爾和AMD核心共提供約2 Petaflops（1 Petaflop等于每秒鐘進(jìn)行1千萬億次的數(shù)學(xué)運算）的計算速度?？偟膩碚f，HiPerGator人工智能系統(tǒng)的HPL評級超過16 Petaflops，而理論上，人工智能性能的峰值為700 Petaflops。

HiPerGator超級計算機(jī)機(jī)房設(shè)置

一切都起源于佛羅里達(dá)大學(xué)與英偉達(dá)公司的合作計劃。2020年7月21日，雙方表示將合作打造全球?qū)W術(shù)界速度最快的AI超級計算機(jī)。該計劃得到了英偉達(dá)公司5000萬美元的資金援助，其中畢業(yè)于佛羅里達(dá)大學(xué)的英偉達(dá)聯(lián)合創(chuàng)始人克里斯·馬拉喬夫斯基個人捐贈了2500萬美元，公司則提供了價值2500萬美元的硬件、軟件、培訓(xùn)和其他服務(wù)。佛羅里達(dá)大學(xué)則投入2000萬美元，創(chuàng)建一個以AI為核心的超級計算和數(shù)據(jù)中心。

馬拉喬夫斯基在一次由佛羅里達(dá)大學(xué)和公司高層共同參加的活動中表示：“為造福所有人，我們創(chuàng)立了一個強(qiáng)大的、具有借鑒意義的公私合作模式?！?/p>

更重要的是，這項合作并不僅限于創(chuàng)造一臺擅于計算的機(jī)器。

英偉達(dá)公司還計劃持續(xù)為佛羅里達(dá)大學(xué)貢獻(xiàn)其AI專業(yè)知識，并達(dá)成以下合作：第一，英偉達(dá)深度學(xué)習(xí)學(xué)院將與佛羅里達(dá)大學(xué)合作，為學(xué)生開發(fā)新的課程，包括調(diào)整項目滿足年輕人和青少年的需求，激發(fā)他們對理工類課程和AI的興趣，為未來的教育和就業(yè)做更充分的準(zhǔn)備；第二，佛羅里達(dá)大學(xué)將成為最新的英偉達(dá) AI技術(shù)中心基地，佛羅里達(dá)大學(xué)研究生院和英偉達(dá)員工將共同推動AI的發(fā)展；第三，英偉達(dá)方案架構(gòu)師和產(chǎn)品工程師將與佛羅里達(dá)大學(xué)合作，在校園內(nèi)安裝、運行和優(yōu)化包括最新AI軟件應(yīng)用在內(nèi)的英偉達(dá)超級計算資源。

技術(shù)合作創(chuàng)造可持續(xù)計算集群

除資金、資源與人員合作外，校企間的創(chuàng)新性技術(shù)合作也為更高效、可持續(xù)的高性能計算集群創(chuàng)造了可能。例如，聯(lián)想公司的水冷和“熱通道”定向通風(fēng)技術(shù)使紐約大學(xué)高性能計算集群Greene不僅成為高等教育領(lǐng)域中最強(qiáng)大的十大超級計算機(jī)之一，也使其成為世界上最綠色的100臺超級計算機(jī)之一。

紐約大學(xué)Greene高性能計算集群由665臺服務(wù)器和32000個CPU核心組成，它配備了332個GPU卡。該集群的總內(nèi)存為145TB，并配有9 PetaBytes的GPFS數(shù)據(jù)存儲。該計算集群性能優(yōu)越，經(jīng)HPL基準(zhǔn)測試后，Greene的整體性能超過了4 Petaflops，意味著它每秒可以進(jìn)行四千萬億次（4 x 1015）計算——比其前身高性能計算Prince集群強(qiáng)大十倍，比紐約大學(xué)2005年的超級計算機(jī)快1000倍。

Greene超級計算機(jī)機(jī)房設(shè)置

與此同時，Greene是一個高效的、環(huán)保的HPC集群，它既滿足了對下一代計算和存儲能力的需求，又減少了對化石燃料的依賴?；谝韵聞?chuàng)新，Greene將消耗更少的電力，產(chǎn)生更低的使用成本，并更加環(huán)?？沙掷m(xù)。

首先，Greene的電力使用效率（簡稱PUE，是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，等于數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT設(shè)備使用的能源之比，PUE基準(zhǔn)為2，越接近1表明能效水平越好）為1.35或更低。其次，Greene采用了聯(lián)想的Neptune溫水冷卻技術(shù)對CPU節(jié)點進(jìn)行水冷，使部分計算機(jī)的PUE達(dá)到1.08。對于30000個CPU核心，水將去除95%的熱量且不需要任何空調(diào)。第三，Greene具有更有效的數(shù)據(jù)中心設(shè)備安排，白色機(jī)架將減少15%～20%的熱量消耗，“熱通道”（計算機(jī)背靠背排列）將進(jìn)行更有效的熱捕獲并通過屋頂通風(fēng)。因此，高電力使用效率和低能耗的結(jié)合將有效降低Greene的計算成本。

紐約大學(xué)校長安德魯·漢密爾頓表示：“高性能計算、大數(shù)據(jù)和人工智能在整個高等教育的許多研究領(lǐng)域都是至關(guān)重要的，特別是在紐約大學(xué)。最重要的是，我們要繼續(xù)為各學(xué)科領(lǐng)域的研究人員提供他們所需的資源，以拓展知識邊界，超越我們可能還無法想象的東西。但是，為了我們的地球，我們也必須想方設(shè)法在保持計算速度的同時擺脫對化石燃料的依賴。Greene是一個很好的例子，說明我們可以同時實現(xiàn)這兩個目標(biāo)?！?/p>

首席數(shù)字官兼研究技術(shù)副校長大衛(wèi)·阿克曼則表示：“紐約大學(xué)與聯(lián)想公司和EYP設(shè)計公司在Greene的設(shè)計和安裝方面進(jìn)行了非常密切的合作，各方面的成果都非常出色，我們擁有全國最強(qiáng)大的、由大學(xué)投資建設(shè)的超級計算機(jī)，運行成本只有其前身的三分之一。像水冷和‘熱通道’定向通風(fēng)這樣的創(chuàng)新技術(shù)，確保我們可以在不斷提升研究能力的同時實現(xiàn)更宏大的目標(biāo)，即在2050年達(dá)到碳中和。”

國家級超算中心滿足科研需求

不管是技術(shù)合作還是資源合作，都為高校最終建成自身所有的超算中心所服務(wù)，然而，并非所有高校有能力或有必要建設(shè)專屬超算中心，因此，對于中小型高校來說，借助國家機(jī)構(gòu)力量進(jìn)行超算研究便成為最佳選擇。

例如，在今年2月28日舉行的亞洲超級計算大會上，新加坡國家超級計算中心（NSCC）、新加坡工藝教育學(xué)院、新加坡共和理工學(xué)院、新加坡理工學(xué)院、新加坡科技學(xué)院、AI新加坡和新加坡工程師學(xué)會簽署諒解備忘錄（memorandum of understanding，用于雙方或多方之間達(dá)成一致的重要事項），希望探索新的培訓(xùn)方法、課程設(shè)置和教學(xué)大綱，充分利用超級計算機(jī)的力量。

諒解備忘錄以 “通過AI與HPC賦能新加坡的教育和人才發(fā)展 ”為主題。新加坡國家超級計算中心與各新加坡高校以及新加坡工程師學(xué)會將建立合作關(guān)系，并在高性能計算、AI、數(shù)據(jù)科學(xué)和分析及高級仿真和建模等領(lǐng)域創(chuàng)辦新的培訓(xùn)課程、研討會和學(xué)生競賽，共同培養(yǎng)高性能計算人才。

為了支持新的合作，新加坡國家超級計算中心還宣布，該國的下一代國家超級計算機(jī)——用于千萬億次量級創(chuàng)新研究的超級計算機(jī)ASPIRE 2A將提供給新加坡學(xué)界使用。

ASPIRE 2A具體配置

ASPIRE 2A也利用了溫水冷卻技術(shù)，將提供總計高達(dá)10 Petaflops的計算能力，比目前的ASPIRE 1超級計算機(jī)強(qiáng)大七倍。第一代ASPIRE 1超級計算機(jī)于2016年投入使用，長時間近乎滿負(fù)荷運行。ASPIRE 2A的第一次正式項目征集已于今年第二季度啟動，此次征集邀請新加坡研究人員申請新機(jī)器上的計算資源。ASPIRE 2A將支持大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)或企業(yè)在氣候變化、生物醫(yī)學(xué)和智能國家活動等一系列科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究。

國家超級計算中心指導(dǎo)委員會主席Quek Gim Pew表示：“ASPIRE 2A系統(tǒng)是新加坡長期投資戰(zhàn)略的一部分，以確保新加坡的研究人員能夠熟練掌握必要的HPC資源，從而快速推進(jìn)研究。我們設(shè)想，新的超級計算資源將幫助科學(xué)家在氣候變化、基因組學(xué)、醫(yī)療保健、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)及先進(jìn)制造業(yè)等研究領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展?！?/p>

分布式部署的二級計算系統(tǒng)

與新加坡高校借助國家力量相似，英國高校的高性能計算集群也由政府部門出資建設(shè)，然而，與前者集中式的國家級超算中心相比，英國高校具備更小型的、分布式部署的高性能計算集群——二級超級計算服務(wù)，其設(shè)施遍布各大高校，不同集群也往往承擔(dān)著不同主題的研究。

二級超級計算服務(wù)指一組中小規(guī)模的分布式超級計算機(jī)系統(tǒng), 位于國家一級系統(tǒng)（如英國國家級超算中心ARCHER）和校園三級系統(tǒng)之間，用于填補這兩個級別之間的能力差距。此類二級超算服務(wù)將對英國工程與自然科學(xué)研究理事會（以下簡稱EPSRC）社群內(nèi)的所有研究人員開放，提供便利的本地訪問，同時與整個英國的超算生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，縱向深入一級和三級系統(tǒng)，橫向則整合其他二級中心。英國國內(nèi)的二級超算項目主要有Isambard、Kelvin-2、JADE、Cirrus、NICE、CSD3、Baskerville等。

二級超算服務(wù)具有以下特征：

1.中型規(guī)模：二級超級計算機(jī)的算力規(guī)模介于小型工作站和大型超級計算機(jī)之間,通常峰值運算能力在每秒幾十萬億次到幾百萬億次之間。

2.分布式部署：二級超級計算機(jī)部署在英國多所

Baskerville是EPSRC的二級高性能計算中心，由伯明翰大學(xué)、羅莎琳·富蘭克林研究所、艾倫·圖靈研究所和英國國家同步輻射器基地合作建立。Baskerville 項目在官網(wǎng)提供了使用指南Baskerville Basics，借此，無論用戶來自于哪一學(xué)科、是否使用過超算服務(wù)，都可以快速了解Baskerville的能力，學(xué)習(xí)有效使用其資源。高校、研究機(jī)構(gòu)和超級計算中心，其分布在不同的地理位置。

3.針對中小規(guī)模計算需求：相比大型超級計算機(jī)，二級超級計算機(jī)主要滿足中小規(guī)模的科研計算需求,適合于個人研究者和小組使用。

4.提供存儲和輔助服務(wù)：除CPU計算資源外，二級超級計算機(jī)還提供相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、可視化、軟件環(huán)境等服務(wù)。

5.資源共享：不同部署地點的二級超級計算資源可以通過高速網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)資源的協(xié)同和共享，用戶可以訪問多個位置的計算資源。

6.支持大數(shù)據(jù)分析：二級超級計算機(jī)具有強(qiáng)大的存儲和網(wǎng)絡(luò)能力,可支持大規(guī)模科研數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析計算。

在二級系統(tǒng)中，有部分超算中心由英國高校領(lǐng)導(dǎo)，如伯明翰大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的Baskerville中心、倫敦大學(xué)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的MMM中心和由貝爾法斯特女王大學(xué)和阿爾斯特大學(xué)共同管理的NI-HPC中心。

材料理論和模擬是現(xiàn)代科學(xué)研究中最繁榮和最有活力的領(lǐng)域之一。MMM中心（材料和分子模擬中心）正是為材料和分子建模領(lǐng)域所設(shè)計的二級超級計算設(shè)施，供英國各地的用戶使用。MMM中心由倫敦大學(xué)學(xué)院代表其余八個合作者領(lǐng)導(dǎo)，合作者包括帝國理工大學(xué)、倫敦國王學(xué)院、倫敦瑪麗女王大學(xué)、牛津大學(xué)、南安普敦大學(xué)、肯特大學(xué)、貝爾法斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)。

NI-HPC中心是英國二級國家高性能計算設(shè)施之一，由EPSRC資助，并由貝爾法斯特女王大學(xué)和阿爾斯特大學(xué)共同管理。其特點是將高性能計算模型引入神經(jīng)技術(shù)和計算神經(jīng)科學(xué)、創(chuàng)新藥物輸送、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、代謝組學(xué)及氫安全等方向。