十年前，谁能想到高性能计算能够让普通人在智能手机上就能点外卖，电影大片的特效渲染也需要高性能计算的加持。

 

高性能计算的应用早已不再局限于天气预测、药物研发、油田分析等少数应用，如今的高性能计算正在进入次世代，应用的领域不仅更加广泛，与普通人的生活联系的也更加紧密。

 

在AI、元宇宙、智能汽车等诸多技术和应用的推动下，面对越来越大的芯片和越来越复杂系统，高性能计算的计算、存储、网络挑战应该如何解决？

 

十年变革，高性能计算正在进入次世代

 

最近几年，高性能计算受到越来越多的关注。新冠疫情下，高性能计算对于疫苗和药物的研发发挥了重要的作用。越来越智能的汽车也依赖算力的大幅度提升。还有近两年备受关注的元宇宙，也需要高性能计算作为支撑。而这些大大小小的应用，也正是推动高性能计算进入下一个时代的动力。

 

高性能计算的主要作用其实就是为数据中心的运行提供所需的计算能力。

 

过去，数据中心处理的数据只是某个特定组织业务运营的输出，通过对由人机交互生成的大量数据进行测量、推理或分析实现更高商业价值，比如药物研发和油田分析。

 

如今，数据不再由人类实践所生成，比如，一辆自动驾驶汽车每行驶1小时可以生成5TB的数据，随着自动驾驶汽车数量的增多，产生的数据量也将十分惊人。

 

数据生成方式发生根本性转变的同时，数据处理和存储技术近十年间也发正了变革。这进一步引发了数据中心架构的重大变化，分布式网络应运而生。

 

CPU已经不能满足数据爆炸式增长带来的计算需求，需要性能更强的专用处理器。同时，新的数据中心架构对于通信性能的要求也大幅提升，独立网卡（NIC）和服务器机架上的架顶式交换机的性能和延迟，对于在数据中心内部高效移动数据而言也不再适用。

 

数据爆发对于存储技术和容量带来的挑战，也需要创新性技术满足云计算和高性能计算的需求。

 

新的应用确实在推动高性能计算进入次世代，但在摩尔定律放缓的背景下，高性能计算无论是提升计算性能，还是降低通信延迟和实现存储技术创新，都面临着诸多挑战。

 

追求高性能，先破复杂性挑战

 

过去几十年间，得益于摩尔定律，芯片的性能持续快速提升。然而，先进的制程正在接近物理极限，这一方面让依靠先进制程提升单芯片性能的难度和复杂度越来越高。另一方面，想要将小芯片集成到单个系统中也带来了复杂性和设计的挑战。

 

这就意味着，无论采用何种方式提升计算性能，都同样面临着更高复杂度的设计挑战。

 

提升单芯片性能的设计难度，以及先进制程带来的高成本都是大部分芯片设计公司难以承受的。从系统的角度看，下一代高性能计算架构将出现分解架构和异构系统的爆炸式增长，不同的专用处理架构将集成在单个节点中，在模块之间实现精密、灵活的切换。

 

于是，将不同性能和功能的芯片封装在一起的小芯片技术受到欢迎，Die-to-Die接口对于不受封装成本和装配限制的高性能计算应用SoC非常有吸引力。

 

小芯片的设计可以根据应用需求集成各种小芯片和IP资源，但即使是较大的公司也负担不起所有IP的开发费用，采购第三方IP可以节省时间和金钱，是更理想的选择。

 

HPC是全面硬实力的考验

 

用于大数据处理、模拟和预测的模型越来越复杂，推动了对更高计算能力和更大存储容量，以及更低网络延迟的需求，这是一个全面硬实力的考验。

 

据估算，数据中心的运行和冷却服务器的用电各占约40%，20%的用电用于存储和网络。只有同时解决新型数据中心计算、存储和网络的挑战，才能迈入高性能计算的新时代，实现数据中心的碳中和。

 

高性能计算要实现性能提升，就要求数据网络和设备接口需要增加带宽满足计算和存储节点间的数据传输需求。这给高性能计算的存储系统带来了包括带宽、容量、延迟、安全性、访问管理、功率等诸多挑战。

 

十年前，人们对于带宽需求的估计很低，大概是现在的一半甚至三分之一。但如今，全球对带宽的需求以前所未有的速度增长，以太网正在成为数据中心高性能计算的选择。以太网、PCIe和其它接口技术都在逐渐增加带宽以满足需求，以太网正在从100Gbps过渡到800Gbps。

 

虽然访问支持10Gbps到800Gbps以太网的各种配置的IP很重要，但SoC开发者也在寻找能够提供更多差异化的解决方案，比如可根据特定设计需求进行配置的最低延迟以太网IP；能够缩短上市时间的集成MAC、PCS和PHY的解决方案等。

 

网络性能的提升的同时，存储设备上的数据接口速度也在提高，NVMe SSD采用PCIe 5.0和6.0，传输速率可以达到32Gbps和64Gbps。

 

一些额外的存储技术也能满足次世代高性能计算的需求。比如持久内存技术、远程直接内存访问（RDMA）和RoCE、NVMe-oF、计算存储。

 

随着高性能计算的持续发展，以及高性能计算更加广泛的应用，我们将迎来更加智能的生活，体验到云计算带来的数字化普及带来的便利，智能汽车带来的全新体验，以及元宇宙的全新世界。