40年前偶然走上程序員道路的Jack Dongarra，是今年的圖靈獎(jiǎng)得主。

獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立機(jī)構(gòu)美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）表示，Dongarra的算法與軟件成果推動(dòng)了高性能計(jì)算（HPC）的發(fā)展。

正是他在數(shù)值算法和庫(kù)上的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，使得過(guò)去40年里，高性能計(jì)算軟件追上了指數(shù)級(jí)硬件發(fā)展的節(jié)奏。

這位老爺子，還弄出了個(gè)TOP500的超算排行榜，每年兩次幫超算跑跑分啥的。

剛剛，今年71歲的老爺子還參加了中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)舉辦的CNCC 2022，做了次特邀報(bào)告演講。

演講的主題，也與高性能計(jì)算息息相關(guān)。

為什么人類(lèi)需要超算？

高性能計(jì)算 ，是指通過(guò)聚合計(jì)算能力來(lái)提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器更強(qiáng)大的計(jì)算性能。

再通俗點(diǎn)來(lái)講，就是用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)并行處理復(fù)雜問(wèn)題。

為什么要用上超算？Jack Dongarra舉了個(gè)例子。

他提到，科學(xué)和工程都通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)推進(jìn)，但兩者常常遭遇限制，尤其是實(shí)驗(yàn)部分。

會(huì)遭遇的“攔路虎”非常多，有可能是制造儀器很難搞，有可能是所觀(guān)察的事物發(fā)展太過(guò)迅猛，又或者是沒(méi)有辦法在實(shí)驗(yàn)室里完成實(shí)驗(yàn)。

比如，假設(shè)有兩個(gè)星系會(huì)發(fā)生碰撞，這個(gè)過(guò)程會(huì)是什么？

與其只靠漫長(zhǎng)的觀(guān)測(cè)，不如在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬。

計(jì)算科學(xué)增強(qiáng)著當(dāng)下的種種理論和實(shí)驗(yàn)，最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)能為仿真模擬提供非常好的保真度和準(zhǔn)確性，更重要的是，超算能夠覆蓋和支持仿真模擬過(guò)程中巨大的計(jì)算量。

這就不得不提到超算的結(jié)構(gòu)。

超算由一堆CPU、GPU等異構(gòu)芯片提供算力。

此外，它擁有一個(gè)高度并行的系統(tǒng)和分布式內(nèi)存。為超算編程時(shí)，會(huì)用到MPI（用于編寫(xiě)并行計(jì)算機(jī)的跨語(yǔ)言通訊協(xié)議），以及用于共享內(nèi)存并行系統(tǒng)的多線(xiàn)程程序設(shè)計(jì)方案OpenMP。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier取得了斐然的成績(jī)：在2022年第59屆國(guó)際超算Top500名單中位居榜首。

Frontier大約有800萬(wàn)個(gè)核，9408個(gè)節(jié)點(diǎn)，它在負(fù)載下的電力是21兆瓦。

Jack Dongarra打了個(gè)頑皮的比方。

他說(shuō)，在美國(guó)，如果他家用掉1兆瓦的電力，一年得給電力公司繳納100萬(wàn)美元的電費(fèi)。

也就是說(shuō)，單是電費(fèi)，F(xiàn)rontier一年就要花掉2100萬(wàn)美元呢！

Frontier的最高性能是每秒2 x 1018次浮點(diǎn)運(yùn)算。

這是一個(gè)難以置信的計(jì)算量。如果現(xiàn)在全球所有人停下手里的工作，開(kāi)始每秒做一次計(jì)算，晝夜不停、不眠不休地計(jì)算四年，才能達(dá)到1018次浮點(diǎn)運(yùn)算。然而，這樣龐大的運(yùn)算量，超算一秒就能完成。

除了計(jì)算，超算還涉及異構(gòu)數(shù)據(jù)在不同芯片間的搬運(yùn)，Jack Dongarra稱(chēng)之為移動(dòng)數(shù)據(jù)（data moving）

Jack Dongarra指出，現(xiàn)在的超算對(duì)已經(jīng)對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算做了大量?jī)?yōu)化，移動(dòng)數(shù)據(jù)的成本已經(jīng)比計(jì)算成本還高。

降低移動(dòng)數(shù)據(jù)的成本，將成為未來(lái)重點(diǎn)的研究方向。

此外，AI for Science已經(jīng)在很多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，譬如DeepMind旗下的Alpha系列，如Alpha Zero、AlphaStar、AlphaTensor……

今年推出的Alphafold2，其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)揭開(kāi)了蛋白質(zhì)宇宙，有人因此戲稱(chēng)“結(jié)構(gòu)生物學(xué)家要失業(yè)了”。

超算的另一個(gè)發(fā)展方向，就是更適合做AI計(jì)算。

AI有很多方面，有ML、NLP、專(zhuān)家系統(tǒng)、CV、語(yǔ)音、機(jī)器人等。

Jack Dongarra給出了超算適合做AI計(jì)算的理由。

首先，互聯(lián)網(wǎng)上存在的大量數(shù)據(jù)，可以用來(lái)訓(xùn)練和建立ML算法，與此同時(shí)，因?yàn)樘嵘床炝?，ML已經(jīng)成為了解決問(wèn)題時(shí)所要考慮的“基礎(chǔ)設(shè)施”之一。

而關(guān)于用來(lái)做ML計(jì)算內(nèi)核的GPU，人類(lèi)也對(duì)其背后的算法和理論有了更深度的了解。

ML的核心是矩陣，線(xiàn)性代數(shù)在其中扮演著重要的角色。

“8位浮點(diǎn)（FP8）精度很適用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件?！?/p>

Jack Dongarra對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步解釋?zhuān)?/p>

相比于16位、32位的浮點(diǎn)精度，較低的精度正是ML所需要的。

這就是為什么現(xiàn)在更多的計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)用來(lái)專(zhuān)門(mén)解決ML的問(wèn)題。

他還提到，未來(lái)的超算或許會(huì)擁有更多的加速器，它們可以用來(lái)進(jìn)行ML、神經(jīng)神態(tài)計(jì)算、量子計(jì)算、光學(xué)計(jì)算等。

“從標(biāo)量到向量，從向量到分布式內(nèi)存，從分布式內(nèi)存到加速計(jì)算，再到使用混合精度來(lái)進(jìn)行計(jì)算?！盝ack Dongarra總結(jié)道，“我得出結(jié)論，這里有三場(chǎng)計(jì)算機(jī)革命?！?/p>

意外走上漫漫超算路

拿下圖靈獎(jiǎng)的Jack Dongarra并非一開(kāi)始就以當(dāng)程序員為己任，一切都是“意外”。

高中畢業(yè)后，他選擇進(jìn)入芝加哥州立大學(xué)就讀——這所學(xué)校類(lèi)似于地方性的師范學(xué)校，為芝加哥公立學(xué)校系統(tǒng)培養(yǎng)了不少教師。

大三、大四時(shí)，Jack Dongarra福至心靈地“醒悟”，發(fā)現(xiàn)自己并不想教書(shū)。

幾經(jīng)周折，他申請(qǐng)了阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的本科生職位。在那里，他有機(jī)會(huì)和真正的科學(xué)家一起做一些實(shí)際工作，并獲取課程學(xué)分。

于是，就讀于芝加哥州立大學(xué)的最后一個(gè)學(xué)期，Jack Dongarra在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室度過(guò)了16周左右的時(shí)間。

△1980年Dongarra在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的這段經(jīng)歷，促使他決心轉(zhuǎn)攻計(jì)算機(jī)。

本科畢業(yè)之后，先在在伊利諾伊理工學(xué)院拿到CS碩士學(xué)位，又進(jìn)入新墨西哥大學(xué)繼續(xù)深造。

這里有一張1979年拍攝的照片，左數(shù)第二個(gè)年輕小伙就是Jack Dongarra本人。

那個(gè)時(shí)候，作為新墨西哥大學(xué)研究生的他，頭發(fā)還很茂盛（他自己說(shuō)的）。

圖上四人搞了個(gè)小組，開(kāi)發(fā)了一個(gè)叫LINPACK的項(xiàng)目，為此，Jack Dongarra還給自己心愛(ài)的車(chē)車(chē)掛上了同名車(chē)牌。

具體來(lái)說(shuō)，LINPACK是一套求解線(xiàn)性方程組的數(shù)學(xué)軟件。

沒(méi)錯(cuò)，那個(gè)時(shí)候小帥哥本人真正醉心的還是線(xiàn)性代數(shù)領(lǐng)域。

他曾這樣描述自己40年來(lái)成為程序員的動(dòng)力：

我主攻的是數(shù)學(xué)方面的研究，尤其是數(shù)值線(xiàn)性代數(shù)方面，我所有的工作都源于此。

對(duì)那些需要解線(xiàn)性方程組的學(xué)科來(lái)說(shuō)，一款能計(jì)算答案的軟件無(wú)疑是非常重要的。

同時(shí)，你還必須確保軟件運(yùn)行與機(jī)器架構(gòu)相一致，這樣才能真正獲得機(jī)器所能達(dá)到的高性能。

1993年，Jack Dongarra加入了TOP500排行榜團(tuán)隊(duì)，成為了TOP500第一個(gè)測(cè)試版本的爸爸之一。

同年6月，正式版本開(kāi)始發(fā)布，其所所使用的評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)被稱(chēng)為L(zhǎng)INPACK。

自那時(shí)起，TOP500排行榜半年發(fā)布一次，告訴大家世界最強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備都在哪里。

這一舉措解決了科學(xué)家們無(wú)法就衡量超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)展的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致的問(wèn)題。

負(fù)責(zé)監(jiān)督美國(guó)能源部“百百億次計(jì)算”項(xiàng)目的Paul Messina就表示：

“如果你不能測(cè)量它，你就不知道它是什么”，這就是為什么杰克的工作很重要。

現(xiàn)在，TOP500已經(jīng)成為衡量超算能力的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。

而排名第一的計(jì)算速度，也以摩爾定律描述的節(jié)奏穩(wěn)步增長(zhǎng)，大約每14個(gè)月就會(huì)翻倍。

天河一號(hào)，是中國(guó)第一臺(tái)登上榜首 （2010年11月） 的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它在榜首呆了六個(gè)月時(shí)間。

上月中旬，美國(guó)達(dá)拉斯舉行的 SC22 會(huì)議上，第60期TOP500排行榜結(jié)果公布，排名第一的依舊是上次奪魁的Frontier。

中國(guó)的兩臺(tái)超算，神威太湖之光和天河2號(hào)，分別拿下了排行榜第7和第10位。

統(tǒng)計(jì)所有上榜TOP500的超算，中國(guó)共占據(jù)162臺(tái)，雖較去年的173臺(tái)有所下降，但仍以領(lǐng)先美國(guó)36臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)居世界第一的寶座。

在算力方面，美國(guó)在已部署的算力中以43.2%排名第一，中國(guó)以10.6%位列第四。

Jack Dongarra拿出了一組十分直觀(guān)的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，最快每秒是1.1 exaflops，TOP500的最后一名則是1.73 petaflops。

而Jack Dongarra的筆電是擁有M2處理器的MacBook，它的運(yùn)行速度是426 gigaflops。

近30年前，第一代TOP500的榜首，屬于洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）用來(lái)設(shè)計(jì)核武器的計(jì)算機(jī)CM.5，它擁有一千個(gè)處理器，運(yùn)行速度大約是60 gigaflops。

不用說(shuō)當(dāng)年的第一和今日的第一如何如何，今天家用筆電的運(yùn)行速度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了30年前的世界最快。

好了，最后還是說(shuō)回老爺子。

年逾七十的他，至今依然活躍在高性能計(jì)算領(lǐng)域的一線(xiàn)，今年更是奪得“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)”圖靈獎(jiǎng)，其中，LINPACK，正是他拿圖靈獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)工作之一。

ACM總裁Gabriele Kotsis表示，Jack Dongarra是高性能計(jì)算社區(qū)中，最重要且積極參與的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

超算的新benchmark

也是這位積極的領(lǐng)導(dǎo)者提出，超算需要新的基準(zhǔn)測(cè)試了！

背后原因不難理解——

LINPACK基準(zhǔn)測(cè)試強(qiáng)調(diào)浮點(diǎn)運(yùn)算，它的核心是矩陣乘法。

多年以前，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)LINPACK時(shí)，浮點(diǎn)運(yùn)算還是一個(gè)很重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

今時(shí)今日，浮點(diǎn)計(jì)算已經(jīng)不那么重要了。

放眼望去，所有的超算都為浮點(diǎn)計(jì)算做了“過(guò)量”的準(zhǔn)備——Jack Dongarra本人是如此評(píng)判的。

是以，他認(rèn)為當(dāng)務(wù)之急是需要有新的基準(zhǔn)來(lái)關(guān)心移動(dòng)數(shù)據(jù)，也就是HPCG。

簡(jiǎn)單介紹，HPCG一個(gè)共軛梯度算法，它著眼于解決稀疏矩陣問(wèn)題，而不是密集矩陣。

這恰恰滿(mǎn)足了今時(shí)今日在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。

相比于舊的基準(zhǔn)HPL，HPCG能更好地反映應(yīng)用程序的效果，但它給出的執(zhí)行速度的數(shù)字會(huì)低很多。

究其背后的原因，是隨著GPU的增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以非常迅速地進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，所以HPL得出的數(shù)據(jù)，其實(shí)是超算潛力被夸大后的結(jié)果。

相對(duì)應(yīng)地，HPCG強(qiáng)調(diào)不是浮點(diǎn)數(shù)而是移動(dòng)數(shù)據(jù)，這正是帶寬和延遲會(huì)限制超算性能的地方。

就拿日本超算富岳（Fugaku）來(lái)說(shuō)吧。

LINPACK基準(zhǔn)測(cè)試中，富岳排名第一，達(dá)到了理論峰值的3%；而運(yùn)行新基準(zhǔn)，富岳只得到了理論峰值的0.8%。

這意味著計(jì)算機(jī)并沒(méi)有發(fā)揮出它們的潛在性能，需要更仔細(xì)地進(jìn)行研究。

有趣的一點(diǎn)是，TOP500超算榜上，幾乎97%都在使用x86這種架構(gòu)，只有5臺(tái)超算使用ARM處理器。

以及，這500臺(tái)超算沒(méi)有任何一個(gè)使用了RISC-V。

“雖然今天它給高性能計(jì)算帶來(lái)的影響很小，但也許在未來(lái)，我們可以看到RISC-V對(duì)它的影響?！盝ack Dongarra說(shuō)。