Czym są systemy obliczeniowe dużej skali (HPC)?

Zwiększanie objętości danych, a także aplikacje i przypadki użycia wymagające dużych ilości danych oraz wykorzystujące sztuczną inteligencję zwiększają zapotrzebowanie na moc obliczeniową HPC.

Czym jest HPC?

  • Systemy obliczeniowe dużej skali (HPC) to klasa aplikacji i obciążeń, które wykonują zadania intensywne obliczeniowo.

  • Wzrasta zapotrzebowanie na HPC, wspierające przypadki użycia w środowiskach akademickich i przemysłowych z wykorzystaniem dużych ilości danych oraz sztucznej inteligencji.

  • Klastry HPC budowane są w oparciu o wydajne procesory, szybką pamięć i pamięć masową oraz inne zaawansowane komponenty.

author-image

Według

Dlaczego systemy HPC mają duże znaczenie?

Systemy obliczeniowe dużej skali (HPC) nie są nowością. Stacje robocze i superkomputery HPC od dziesięcioleci odgrywają kluczową rolę w badaniach akademickich, rozwiązując złożone problemy i przyspieszając odkrycia oraz innowacje.

W ostatnich latach ilość danych gwałtownie wzrosła, dlatego wiele nowych zastosowań wykorzystuje potencjał HPC — możliwość wykonywania intensywnych obliczeniowo operacji na współdzielonych zasobach w celu uzyskania wyników w krótszym czasie i przy niższych nakładach finansowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami obliczeniowymi. Jednocześnie sprzęt i oprogramowanie HPC stały się bardziej powszechne oraz dostępne.

Naukowcy, inżynierowie oraz badacze wykorzystują HPC do szeregu zastosowań, takich jak prognozowanie pogody, poszukiwanie ropy i gazu, fizyka, mechanika kwantowa oraz inne dziedziny badań akademickich oraz zastosowań komercyjnych.

Jak działa HPC?

Chociaż HPC można uruchomić na pojedynczym węźle, jego rzeczywista moc wynika z połączenia wielu węzłów HPC w klaster lub superkomputer z możliwością równoległego przetwarzania danych. Klastry HPC mogą przeprowadzać symulacje na ekstremalną skalę, wykonywać wnioskowanie AI oraz analizy danych, których realizacja może być niemożliwa na pojedynczym systemie.

Jedne z pierwszych i najbardziej znanych superkomputerów zostały opracowane przez firmy Cray i IBM, obecnie partnerów Intel® Data Center Builders. Nowoczesne superkomputery to klastry HPC o dużej skali złożone z procesorów, akceleratorów, wysokowydajnej infrastruktury komunikacyjnej oraz zaawansowanej pamięci i pamięci masowej, które współpracują ze sobą w obrębie poszczególnych węzłów, aby zapobiec zatorom i zapewnić najwyższą wydajność.

Skalowanie wydajności przez zwiększanie zasobów

Aplikacje HPC wykorzystują architektury sprzętowe i programowe, które rozdzielają obliczenia na całość zasobów, zwykle na pojedynczym serwerze. Przetwarzanie równoległe w ramach jednego systemu może przynieść znaczny wzrost wydajności, ale aplikacje mogą być skalowane tylko w granicach możliwości danego systemu.

Skalowanie wydajności przez zwiększanie liczby urządzeń

Po skonfigurowaniu wielu systemów do działania jako całość powstają klastry HPC umożliwiające aplikacjom skalowanie wydajności poprzez równoległe rozłożenie obliczeń na większą liczbę węzłów.

Zalety HPC

Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na przetwarzanie dużych ilości danych oraz zaawansowane aplikacje, systemy HPC są coraz popularniejsze w środowisku akademickim oraz przedsiębiorstwach. Wraz z pojawieniem się wysoce skalowalnych, wydajnych procesorów oraz szybkich, pojemnych pamięci, pamięci masowych i sieci, technologie HPC stały się bardziej dostępne. Naukowcy oraz inżynierowie mogą uruchamiać obciążenia HPC w lokalnej infrastrukturze lub skalować wydajność przez zwiększanie zasobów i liczby urządzeń, korzystając z zasobów w chmurze, które nie wymagają dużych nakładów finansowych.

Zastosowania systemów HPC

Obecnie laboratoria badawcze i przedsiębiorstwa wykorzystują HPC na potrzeby symulacji oraz modelowania w szeregu zastosowań, takich jak autonomiczna jazda, projektowanie i wytwarzanie produktów, prognozowanie pogody, analiza danych sejsmicznych i produkcja energii. Systemy HPC przyczyniają się również do postępów w medycynie precyzyjnej, ocenie ryzyka finansowego, wykrywaniu oszustw, obliczeniowej dynamice płynów i innych dziedzinach.

Elementy HPC

Najbardziej wydajne systemy obliczeniowe dużej skali wykorzystują połączenie zaawansowanego sprzętu i oprogramowania HPC. Sprzęt na potrzeby HPC obejmuje zwykle wydajne procesory, sieć szkieletową, pamięć i pamięć masową oraz komponenty sieciowe, a także akceleratory przeznaczone do specjalistycznych obciążeń HPC.

Oprogramowanie platformy HPC, biblioteki, zoptymalizowane środowiska do obsługi danych big data i głębokiego uczenia oraz inne narzędzia programowe przyczyniają się do poprawy konstrukcji oraz efektywności klastrów HPC.

HPC i Intel

Kompleksowa oferta technologii Intel ułatwia deweloperom wykorzystanie pełnego potencjału systemów obliczeniowych. dużej skali.

Sprzęt firmy Intel zapewnia solidną podstawę na potrzeby elastycznych, skalowalnych rozwiązań HPC. Firma Intel udostępnia także szereg programów i narzędzi dla deweloperów dla ułatwienia optymalizacji wydajności z wykorzystaniem procesorów, akceleratorów i pozostałych zaawansowanych komponentów firmy Intel®.

Dysponując szeroką ofertą produktów i technologii, Intel zapewnia oparte na standardach podejście do wielu popularnych obciążeń HPC za pośrednictwem specyfikacji platformy HPC Intel®.

Procesory i akceleratory HPC

Gama procesorów i akceleratorów HPC firmy Intel, w tym skalowalne procesory Intel® Xeon® i układy FPGA obsługują obciążenia HPC w konfiguracjach obejmujących stacje robocze i superkomputery.

Oprogramowanie i narzędzia HPC

Firma Intel oferuje deweloperom niezbędne programy i narzędzia na potrzeby usprawnienia i przyspieszenia tworzenia oprogramowania do zastosowań HPC, takich jak AI, analityka i oprogramowanie big data.

Pamięć masowa i operacyjna HPC

Zwiększenie wymagań w zakresie pamięci i pamięci masowej HPC spowodowało konieczność ograniczenia opóźnień. Rozwiązania Intel® w zakresie pamięci i przechowywania danych HPC są zoptymalizowane pod kątem technologii pamięci nieulotnej (NVM), ekosystemów oprogramowania i pozostałych elementów architektury HPC.

Dyski SSD Intel® Optane™

Dyski SSD pamięci Intel® Optane™ oferują elastyczność, stabilność i wydajność pamięci masowej niezbędnej do zapobiegania zatorom i zwiększania wydajności centrów danych HPC.

DAOS

Dzięki pamięci trwałej Intel® Optane™ rozproszona asynchroniczna pamięć obiektowa (DAOS) zapewnia znaczny wzrost liczby operacji we/wy pamięci masowej, pozwalając na przyspieszenie projektów związanych z HPC, AI, analizą danych oraz chmurą.

Pamięć trwała Intel® Optane™ (PMem)

Pamięć trwała stanowi wyjątkowe połączenie przystępnej cenowo większej pojemności i obsługi trwałości danych na potrzeby obsługi szczególnych trybów pracy oraz dostosowania do zróżnicowanych potrzeb w zakresie obciążeń HPC.

Rozwiązania Intel® Select dla HPC

Rozwiązania Intel® Select dla HPC to architektury referencyjne, zoptymalizowane pod kątem wydajności i opracowane z myślą o skalowaniu w celu szybszego uzyskiwania szczegółowych informacji.

HPC w chmurze

Współczesne usługi w chmurze HPC mogą obsługiwać najbardziej złożone i wymagające obciążenia, wykorzystując liczne technologie Intel® dostępne w lokalnym centrum danych. Przepustowość HPC można przyspieszyć w chmurze, w której dostępność zasobów obliczeniowych na żądanie umożliwia przyspieszenie realizacji zadań bez konieczności kolejkowania. Dodatkową zaletą HPC w chmurze jest możliwość oceny zalet uruchamiania obciążeń na wstępnie wybranym i skonfigurowanym przez dostawcę usług w chmurze (CSP) sprzęcie HPC. Ułatwia to określenie potrzeb oraz konieczności ewentualnych modyfikacji lub optymalizacji.

Badacze i deweloperzy mogą wdrażać obciążenia HPC łączące lokalne i chmurowe środowiska HPC wspierane przez innowacyjne platformy oparte na architekturze Intel® oferowane przez największych dostawców usług w chmurze na całym świecie. Partnerzy technologiczni firmy Intel® mogą zaoferować eksperckie wskazówki i porady, ułatwiające organizacjom wybór najlepszych instancji chmury HPC.

Wspieranie postępu w zakresie HPC

Najnowsze postępy w zakresie procesów obliczeniowych i oprogramowania są dużymi krokami naprzód dla rozwiązań HPC. Firma Intel ściśle współpracuje z producentami OEM i całym ekosystemem HPC, aby optymalizować wydajność sprzętu, a także integrować HPC z AI oraz analityką.

Firma Intel projektuje nowe technologie, procesory i materiały HPC ułatwiające zastosowanie praktyczne informatyki kwantowej w sektorze komercyjnym.

Najnowsze superkomputery oparte na skalowalnych procesorach Intel® Xeon® są na dobrej drodze, aby sprostać najbardziej wymagającym wyzwaniom naukowym świata za pomocą przetwarzania w eksaskali.

Systemy HPC a sztuczna inteligencja

Połączona moc HPC oraz maszynowego i głębokiego uczenia zapowiada się niezwykle obiecująco w odniesieniu do różnorodnych zastosowań – od językoznawstwa, poprzez sekwencjonowanie genomu, do modelowania globalnego klimatu. Intel wspiera rozwiązania z zakresu HPC oraz AI, współpracując   partnerami ekosystemu na rzecz opracowania architektur referencyjnych i rozwiązań opracowanych specjalnie pod kątem tych istotnych zastosowań.

Obliczenia w eksaskali

Wraz z zastosowaniem technologii HPC do rozwiązywania coraz trudniejszych problemów, naukowcy i inżynierowie budują potężne superkomputery, które działają w eksaskali. Na przykład superkomputer Aurora w laboratorium Argonne National Laboratory może zaoferować zupełnie nowe możliwości w zakresie integracji analizy danych, AI oraz symulacji na potrzeby zaawansowanego modelowania 3D.

Inne przełomowe projekty HPC obejmują sekwencjonowanie genomiki w Broad Institute uniwersytetów MIT i Harvard, zaawansowane badania prowadzone przy użyciu jednego z najpotężniejszych na świecie superkomputerów w ośrodku Texas Advanced Computing Center (TACC) oraz symulacje akceleratora cząstek oparte na danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN).

Intel wspiera wydajne, skalowalne systemy HPC

Systemy obliczeniowe dużej skali oferują ogromny potencjał naukowcom, deweloperom i inżynierom w środowisku akademickim, instytucjach rządowych i przemyśle.

Najnowsze postępy w zakresie przetwarzania i oprogramowania umożliwiają dalszy rozwój HPC. Wyzwaniem może okazać się dobór optymalnych konfiguracji sprzętu i oprogramowania na potrzeby wydajnych, skalowalnych rozwiązań HPC.

Firma Intel kontynuuje ścisłą współpracę z dostawcami rozwiązań HPC w celu optymalizacji wydajności sprzętu i połączenia HPC z AI oraz analityką. Moc systemów HPC opartych na architekturze Intel® może napędzać innowacje i umożliwiać rozwiązywanie coraz bardziej złożonych problemów, wytyczając drogę do przyszłości obliczeń w eksaskali i zettaskali.

Często zadawane pytania

Obliczenia dużej skali (HPC) to klasa aplikacji i obciążeń, które wykonują intensywne obliczeniowo operacje rozłożone na wiele współdzielonych zasobów.

Zwiększone wykorzystanie aplikacji i przypadków użycia opartych na dużej ilości danych i sztucznej inteligencji spowodowało wzrost zapotrzebowania na HPC w środowiskach akademickich i przemysłowych.

Systemy HPC są wykorzystywane do symulacji, modelowania i analizy w szeregu różnorodnych zastosowań, takich jak autonomiczna jazda, projektowanie i wytwarzanie produktów, prognozowanie pogody, medycyna precyzyjna, ocena ryzyka finansowego, obliczeniowa dynamika płynów oraz inne zastosowania akademickie i komercyjne.