CUDA支持Arm是實現(xiàn)百萬兆級超算的新途徑，還是Nvidia和Arm的好機會？

超級計算機（Supercomputer）通常簡稱超算，在科學(xué)界常被視作一個國家技術(shù)領(lǐng)軍能力的指標(biāo)，因為它能夠為AI、空氣動力、大氣科學(xué)、能源科學(xué)等重要技術(shù)的研究提供算力支撐。如今強國之間的競爭已經(jīng)進入到了百萬兆級超算的時代，這就需要更強大的處理器。目前，X86、Power作為超算CPU計算節(jié)點的主要架構(gòu)，那么Nvidia宣布CUDA支持Arm誰將是最大的贏家？

超算競爭進入百萬兆級時代

去年六月，美國能源部公布了世界上最快的超級計算機——Summit，反超中國超算太湖之光重奪超算Top 500第一的位置，并且美國表示他們預(yù)計在2021年建造一臺每秒運算數(shù)十億億次計算機“極光（Aurora）”，甚至?xí)蛟旄咝艿挠嬎銠C。

2019超算Top 500

當(dāng)然，中國也在建立一個百萬兆級超級計算機系統(tǒng)，有消息稱它基于已構(gòu)建的三種原型系統(tǒng)：曙光、天河和神威。日本和歐洲也不甘落后，日本希望在2021年有一臺百萬兆級的超級計算機，歐洲人則在希望在2023年實現(xiàn)這一目標(biāo)。顯然，超級計算機的競賽跨入了Exascale計算（百萬兆級的計算，也可稱E級超算）時代。

用一個不精確的說法來解釋百萬兆級計算，一個百萬兆級計算機一瞬間進行的計算，相當(dāng)于地球上的所有人每天每秒都不停地計算四年。這樣強大的計算能力需要更加復(fù)雜的系統(tǒng)。與普通計算機一樣，超算同樣由硬件和軟件系統(tǒng)組成，但超算僅硬件部分就由高速運算系統(tǒng)、高速互連通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、維護監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計等部分組成。

其中，高速運算系統(tǒng)負(fù)責(zé)邏輯復(fù)雜的調(diào)度和串行任務(wù)和并行度高的任務(wù)，可采用同構(gòu)計算（純CPU組成計算節(jié)點），也可以采用異構(gòu)計算（CPU+加速器組成計算節(jié)點）的方式。

實現(xiàn)百萬兆級超算的新途徑

根據(jù)國際組織TOP500編制的超級計算機榜單，從2019年度ISC國際超算大會上公布的超算性能500強榜單中，我們不難發(fā)現(xiàn)IBM Power、Nvidia Volta/Tesla、Intel Xeon顯然是超算計算節(jié)點的重要組成。

2019年度ISC國際超算大會上公布的超算Green500

但是，隨著算力的進一步增強，超算產(chǎn)生的熱量不僅會造成更多的資源消耗，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計同樣面臨更大的挑戰(zhàn)，因此沒瓦特性能也十分重要。TOP500也編制了一個Green500的超算排行榜，這個排行榜比拼的不是性能，而是比拼每瓦性能，所以，即便某個超算在TOP500榜單中墊底，在Green500中卻獲得好名次。

根據(jù)最新的Green500排行榜，在全球最節(jié)能的25款超級計算機中，有22款都得益于Nvidia的支持。

這其中的關(guān)鍵之一就是采用了異構(gòu)計算的方式，讓x86或者Power架構(gòu)的CPU與Nvidia GPU協(xié)同，把繁重的處理作業(yè)卸載至更為節(jié)能的并行處理CUDA GPU之上。不過在CPU市場，Arm架構(gòu)也不可忽略，那么在超算的百萬兆級競爭中，Arm CPU是否也能發(fā)揮優(yōu)勢？

現(xiàn)在下結(jié)論還為時尚早，但英偉達(dá)并不打算錯過這個可能的機會。6月17日，2019年度ISC國際超算大會上，Nvidia宣布將于年底前向Arm生態(tài)系統(tǒng)提供全堆棧的AI和HPC軟件，該堆棧為600多個HPC應(yīng)用程序和所有AI框架提供加速，其中包括了所有Nvidia CUDA-X AI和HPC庫、GPU加速的AI框架和軟件開發(fā)工具，如支持OpenACC的PGI編譯器和性能分析器。

這也就意味著，在Nvidia的堆棧優(yōu)化完成之后，Nvidia將為所有主要CPU架構(gòu)提供加速，包括x86、Power和Arm。

對于新的宣布，Nvidia創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛表示：“超級計算機是促進科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要工具，建立百萬兆級超級計算將能夠極大地擴展人類知識的邊界。隨著傳統(tǒng)計算規(guī)模擴展步伐的停止，功率也將成為所有超級計算機的限制因素。Nvidia CUDA加速的計算和Arm的高能效CPU架構(gòu)的相結(jié)合，將助力HPC社區(qū)實現(xiàn)大幅提升，以達(dá)到百萬兆級。”

Nvidia的好生意

從百萬兆級超算建造者的角度看，Arm CPU+Nvidia GPU是一個新選擇，但從Nvidia的角度看，CUDA支持Arm不是一個簡單的宣布，而是資源的投入。讓Nvidia有動力進行這樣的投入，是各國和巨頭公司們的需求和投入。

僅美國方面，下一代超算技術(shù)的研發(fā)總投入將達(dá)到4.3億多美元，美國能源部部長里克?佩里就表示，這些資金劍指“下階段研發(fā)百億億次系統(tǒng)的全球競賽”。顯然，百萬兆級超算的構(gòu)建少不了Nvidia的GPU，特別是AI技術(shù)蓬勃發(fā)展并且越來越重要的當(dāng)下。此時Nvidia又聯(lián)合Arm為構(gòu)建百萬兆級超算提供了新的途徑，自然能讓其從超算市場獲得更多的營收。

Nvidia的在超算市場的努力不止CUDA支持Arm，Nvidia在2019年度ISC國際超算大會上還宣布了全球速度排名第22位的超級計算機——DGX SuperPOD。根據(jù)Nvidia的說法，該超級計算機系統(tǒng)采用了96臺NvidiaDGX-2H超級計算機，內(nèi)含1536顆Nvidia V100 Tensor Core GPU，由Nvidia NVSwitch及 Mellanox網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相聯(lián)接。其處理能力高達(dá)9.4 petaflops，能夠用于訓(xùn)練安全自動駕駛汽車所需要的海量深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

對比來看，具備同等性能的其他TOP500超級計算機系統(tǒng)需要由數(shù)千臺服務(wù)器構(gòu)建，而DGX SuperPOD占地面積更少，體積比同等系統(tǒng)小400倍左右。部署方面，其他同等規(guī)模的系統(tǒng)通常需要6-9個月才能完成部署畢，DGX SuperPOD在工程師采用經(jīng)過驗證的規(guī)范性方法情況下，僅需3個星期。

據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，Nvidia DGX系統(tǒng)已經(jīng)服務(wù)于眾多對大規(guī)模計算有需求的企業(yè)機構(gòu)，例如寶馬、Continental、福特與Zenuity 等汽車公司，還有Facebook、微軟與富士膠片等公司，還有研究領(lǐng)域的日本理化學(xué)研究所與美國能源部實驗室等。

Nvidia希望還沒有部署人工智能的數(shù)據(jù)中心的企業(yè)機構(gòu)使用Nvidia SuperPOD架構(gòu)。這可以讓雙方都從中獲益，不止于此，Nvidia還能通過構(gòu)建這樣的超級計算機，可以學(xué)會如何設(shè)計面向大規(guī)模人工智能機器的系統(tǒng)。

顯然，超算特別是百萬兆超算對Nvidia是可以多贏的好生意。

Arm的好機會

對于Arm而言，百萬兆級超算市場則是一個好機會。在移動市場占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的Arm遇到市場增長放緩時，同樣也希望能夠?qū)⑵浼軜?gòu)拓展到新的市場帶來增長，近年來也在努力聯(lián)合合作伙伴推動Arm服務(wù)器的發(fā)展，不過情況并不理想。

但在超算市場，特別是CUDA支持Arm之后，Arm能夠迎來了好機會。Atos高級執(zhí)行副總裁、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全部門負(fù)責(zé)人Pierre Barnabé表示：“憑借萬寶龍項目，以及為百萬兆級超級計算機BullSequana X所做的Arm計算刀片設(shè)計，Atos成為了ARM生態(tài)系統(tǒng)中的先驅(qū)者。”

全球重要的超算提供商Cray總裁兼首席執(zhí)行官Peter Ungaro表示：“我們的Cray系統(tǒng)管理和編程環(huán)境（編譯器、庫和工具）已經(jīng)能夠在XC和未來的Shasta超級計算機上支持Arm處理器，將CUDA和CUDA-X HPC和AI軟件堆棧用于Arm平臺，并將其與Cray系統(tǒng)管理和編程環(huán)境緊密集成，能夠助力我們的超級計算機實現(xiàn)我們的愿景。”

另外，Ampere Computing、CSC、EPI、HPE、Jülich超算中心、Marvell等都表達(dá)了對于CUDA支持Arm的期待。同時還要看到，CUDA支持Arm能夠建造百萬兆級超算，同樣也能讓服務(wù)器廠商更便捷地制造Arm服務(wù)器，所以，Arm的好機會是讓其能夠更好的拓展架構(gòu)優(yōu)勢。

雷鋒網(wǎng)小結(jié)

百萬兆級超算系統(tǒng)是各國努力正在打造的新一代超算，此時，英偉達(dá)CUDA支持Arm給正在打造新一代超算的國家以及對算力有更高需求的企業(yè)一個新的選擇，這既是英偉達(dá)能夠多贏的好生意，更是Arm進入超算市場的好機會。現(xiàn)在有眾多的支持者表態(tài)支持這一新路徑，我們雖然對此也保持積極的態(tài)度，但結(jié)果仍需通過實際的百萬兆級的超算系統(tǒng)來得出。創(chuàng)新不會百分之百成功，但創(chuàng)新才是推動革新的最大動力。雷鋒網(wǎng)

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