Comment s’appelle un ordinateur hautes performances ?

Les ordinateurs hautes performances peuvent également être appelés « superordinateurs » et « superordinateurs ». Ils sont principalement utilisés pour résoudre des problèmes difficiles qui ne peuvent pas être résolus par d'autres ordinateurs. Ils font généralement référence à une vitesse de calcul extrêmement rapide, à une capacité de stockage énorme et à une capacité de stockage extrêmement élevée. bande passante de communication. Un type d’ordinateur. Les principales caractéristiques des ordinateurs hautes performances comprennent deux aspects : une énorme capacité de stockage de données et une vitesse de traitement des données extrêmement rapide, ce qui leur permet d'effectuer des tâches dans une variété de domaines qui ne peuvent être effectuées par des humains ou des ordinateurs ordinaires.

L'environnement d'exploitation de ce tutoriel : système Windows 7, ordinateur Dell G3.

Les ordinateurs haute performance, également connus sous le nom de superordinateurs et superordinateurs, sont reconnus dans le monde entier comme le sommet de la haute technologie et l'un des domaines scientifiques les plus importants du 21e siècle.

Les ordinateurs hautes performances (HPC, également connus sous le nom de superordinateurs) sont principalement utilisés pour résoudre des problèmes difficiles qui ne peuvent pas être résolus par d'autres ordinateurs. Ils font généralement référence à un type d'ordinateur doté d'une vitesse de calcul extrêmement rapide, d'une capacité de stockage énorme et extrêmement élevée. bande passante de communication.

Les principales caractéristiques comprennent deux aspects : une énorme capacité de stockage de données et une vitesse de traitement des données extrêmement rapide, ce qui lui permet d'effectuer des travaux dans une variété de domaines qui ne peuvent pas être effectués par des personnes ou des ordinateurs ordinaires.

Le calcul haute performance est considéré comme la « couronne » de l'informatique et de l'ingénierie, et les pays ont fréquemment lancé des plans de recherche et développement au niveau national ces dernières années.

1. Le calcul haute performance est une direction scientifique et technologique importante

Les ordinateurs haute performance (HPC, High Performance Computer, également appelés supercalculateurs) sont des outils importants pour le pays. Des simulations d’explosions nucléaires aux simulations de réservoirs de pétrole en passant par les prévisions météorologiques extrêmes, le calcul haute performance protège la sécurité et la tranquillité nationales. Par conséquent, le calcul haute performance est également devenu l’une des références pour mesurer la force globale entre les pays et est considéré comme un symbole de force nationale. Depuis 2020, le 14e plan quinquennal et les nouvelles infrastructures ont propulsé la construction de centres de calcul haute performance en Chine dans une période de croissance rapide. Dans de nombreux endroits, les gouvernements locaux, les entreprises et les institutions construisent et préparent activement la construction de centres de calcul de haute performance. centres de calcul haute performance.

1.1. Qu'est-ce que le calcul haute performance ?

Le calcul haute performance fait référence à l'organisation de plusieurs nœuds informatiques, à leur connexion via le réseau et à la collaboration pour former un ordinateur avec des performances plus puissantes. Il fait généralement référence à une vitesse de calcul extrêmement rapide, une capacité de stockage énorme et une capacité de stockage extrêmement élevée. performances. Type d’ordinateur doté d’une bande passante de communication élevée. Le calcul haute performance permet à un cluster d’ordinateurs entier de travailler sur la même tâche, résolvant ainsi un problème complexe plus rapidement. Un ordinateur hautes performances effectue souvent une seule tâche (ou un nombre limité de tâches). Toutes les ressources informatiques sont consacrées à la même tâche. Afin de résoudre le même problème, les différents ordinateurs du cluster doivent disposer de très bonnes capacités de communication.

Figure 1 : Diagramme schématique de l'interconnexion des nœuds de calcul haute performance

Les ordinateurs hautes performances sont une combinaison d'ordinateurs et de réseaux. En supposant qu'Internet connecte des ordinateurs distincts de l'extérieur, le cluster internalise le réseau et fait de celui-ci un pont de communication pour les différents ordinateurs du système. La première personne à avoir inventé le cluster de manière créative fut Seymour Cray, connu comme le « père du calcul haute performance ». Dans les années 1960, le calcul haute performance n’était possible que sur des ordinateurs centraux coûteux et spécialement conçus. Ces ordinateurs centraux nécessitent des circuits complexes pour atteindre des fréquences de fonctionnement élevées, leurs cycles de conception et de production sont donc très longs.

Seymour Cray a proposé que le parallélisme soit un moyen efficace d'améliorer les performances d'un ordinateur. En 1964, sort le CDC 6600 développé par Seymour Cray. Il connecte plusieurs processeurs ordinaires et fait fonctionner ces processeurs ensemble. Les départements gouvernementaux et de recherche scientifique ont commencé à acheter de tels nouveaux ordinateurs hautes performances pour remplacer les ordinateurs centraux d'origine. Les ordinateurs hautes performances ont apporté des contributions indélébiles à des projets de recherche scientifique à grande échelle tels que le programme d'alunissage, ouvrant la voie à de nombreuses années de développement soutenu et de prospérité de la technologie et de l'industrie du calcul haute performance.

L'évolution du calcul haute performance au cours des 60 dernières années peut être simplement divisée en 2 étapes : l'ère Cray et l'ère multi-ordinateurs.

(1) L'ère des Cray. Les 30 années allant des années 1960 au début des années 1990 sont appelées « l'ère Cray ». Mené par l'innovation technologique d'une machine à vecteur de mémoire unique, Cray a défini et dirigé le marché du calcul haute performance au cours des 30 premières années. Les 30 premières années de développement se sont concentrées sur « Dingtian » et n'ont servi que les départements stratégiques nationaux.

(2) L'ère du multi-ordinateur. Les 30 dernières années, des années 1990 à nos jours, sont appelées « l'ère du multi-ordinateur ». En raison de l'émergence des microprocesseurs et de la vulgarisation d'un grand nombre de matériels standards de l'industrie, de l'interconnexion à grande échelle de plusieurs ordinateurs à usage général et même commerciaux. Les composants informatiques sont devenus évolutifs. Les innovations techniques dans l’architecture des systèmes ont jusqu’à présent dominé le développement du calcul haute performance. Dans les 30 prochaines années, les ordinateurs hautes performances répondront aux exigences de performances maximales des applications stratégiques nationales. Dans le même temps, la « localisation » est devenue l'objectif principal du développement et la vulgarisation des applications informatiques hautes performances. les traits saillants de la deuxième étape.

1.2. Pourquoi le calcul haute performance est-il important ?

Le calcul haute performance est la « couronne » de l'informatique et de l'ingénierie. Le calcul haute performance est l'une des sources de la technologie informatique. Les technologies de base des centres de données sur lesquelles s'appuie l'industrie Internet, telles que les outils de programmation parallèle tels que Hadoop et les technologies de communication à distance telles que RDMA, en dérivent pour la plupart. Par conséquent, les ordinateurs hautes performances sont considérés comme la « couronne » de l’informatique et de l’ingénierie. Les pays lancent fréquemment des plans de recherche et développement au niveau national. Après que la Chine ait été inscrite à plusieurs reprises dans le TOP500 mondial du calcul haute performance, les États-Unis ont inclus de nombreuses institutions ou entreprises chinoises liées au calcul haute performance sur la liste des entités depuis 2015, notamment l'Université nationale de technologie de la défense de Wuxi. Institut de recherche en technologie informatique de Jiangnan, Sugon, Shenwei, etc. Cependant, il existe encore un écart important entre la puissance globale du calcul haute performance de la Chine et celle des États-Unis.

Il est donc crucial de développer un calcul haute performance autonome et contrôlable.

2. Les barrières techniques du calcul haute performance sont élevées

La capacité principale du calcul haute performance est la capacité de calcul à virgule flottante double précision 64 bits. Le calcul haute performance est une puissance de calcul à usage général, et son objectif de conception est de fournir des capacités informatiques complètes et complexes, avec des capacités informatiques de haute précision plus puissantes. Le test Linpack, largement utilisé dans l'industrie pour mesurer les performances du calcul haute performance, teste la « capacité de calcul à virgule flottante double précision » du calcul haute performance, c'est-à-dire le calcul de nombres à virgule flottante de 64 bits. (FP64), qui est un calcul numérique de haute précision. Parmi les précisions numériques représentées par le binaire, il existe les types simple précision (32 bits, FP32), demi-précision (16 bits, FP16) et entiers (tels que INT8, INT4), etc. Un nombre de chiffres plus élevé signifie que les gens peuvent refléter les changements de deux valeurs dans une plage de valeurs plus large, obtenant ainsi des calculs plus précis.

Le calcul haute performance a des exigences de performances de puce sous-jacentes plus élevées que les centres de données ordinaires et les centres informatiques intelligents. Il existe de nombreux types de centres de calcul, qui peuvent être grossièrement divisés en centres de données, centres de calcul haute performance, centres de calcul intelligents, etc., et ils peuvent tous fournir des services sous forme de cloud. En prenant comme exemple la réalisation des besoins de l'intelligence artificielle, le raisonnement, la formation et la simulation sont les trois tâches principales de l'IA.

Dans cette dimension, la limite supérieure de l'application de la puce est déterminée par sa structure sous-jacente, et elle ne peut pas être améliorée même avec une optimisation logicielle. Au niveau de la puce, si la puce sous-jacente utilise un processeur + une puce IA dédiée, elle ne peut effectuer que les tâches de raisonnement et de formation de l'IA, mais ne peut pas terminer la simulation. Étant donné que les puces IA ne peuvent pas implémenter d'opérations à virgule flottante double précision, les opérations à virgule flottante double précision impliquent en grande partie la résolution d'équations algébriques linéaires, et de nombreux problèmes dans la nature, y compris les problèmes scientifiques, les problèmes sociaux, etc., peuvent finalement être transformés en algébriques linéaires. problèmes de résolution d’équations.

La conception de l'architecture et les logiciels du calcul haute performance sont tout aussi importants. La puce est une partie importante du calcul haute performance, mais elle ne constitue pas l'ensemble de la technologie informatique haute performance. Le calcul haute performance ne consiste pas simplement à empiler des processeurs. S'il existe des lacunes dans la conception architecturale, l'Internet haut débit, les systèmes de fichiers parallèles, les baies de stockage, etc., les performances du calcul haute performance ne peuvent pas être améliorées, quel que soit le nombre de processeurs empilés. Avec l'amélioration de la puissance de calcul et l'augmentation de l'échelle et de la complexité des projets d'application, les ordinateurs hautes performances ont des exigences de performances de plus en plus élevées pour les systèmes de fichiers parallèles. Les retombées technologiques du calcul haute performance sont très évidentes. Étant donné que les serveurs peuvent adopter en douceur la technologie d'interconnexion informatique haute performance, la technologie CPU, la technologie du système d'exploitation et les technologies de conception de logiciels parallèles, l'accumulation de calcul haute performance peut naturellement déborder sur l'industrie des serveurs.

3. Le marché du calcul haute performance est très prospère

3.1. Dans quels scénarios le calcul haute performance est-il principalement utilisé ?

Le calcul haute performance convient aux tâches qui nécessitent un calcul parallèle, et les scénarios d'application continuent de se développer. Les principaux scénarios d'application du calcul haute performance sont divisés en deux catégories : l'une concerne les scénarios de simulation numérique tels que la conception d'avions, les expériences de simulation nucléaire, la simulation de nébuleuse et le décryptage de codes, l'autre concerne les scénarios d'analyse de données tels que l'analyse de mégadonnées, les statistiques, et l'intelligence artificielle.

Étant donné que de nombreuses conditions dans la conception technique, comme celle des avions, ne peuvent pas être mesurées en termes réels et ne peuvent être que simulées, les États-Unis sont très prudents quant à l'exportation du calcul haute performance. Les applications de calcul haute performance se développent dans une direction de plus en plus large par rapport à la haute précision du passé. Avec le développement du calcul haute performance, en particulier la baisse continue des coûts d'utilisation, ses domaines d'application se sont également rapidement étendus des domaines du calcul scientifique tels que le développement des armes nucléaires, la sécurité de l'information et l'exploration pétrolière ayant une importance stratégique nationale à un plus large éventail de domaines principaux. champs de bataille de l'économie nationale, tels que les produits pharmaceutiques, le séquençage des gènes, le rendu d'animation, l'exploration de données, l'analyse financière, les services Internet, etc.

À en juger par la part de performance de Linpack dans les domaines d'application industriels dans le TOP100 des ordinateurs hautes performances de Chine en novembre 2021, les services informatiques, les centres de calcul haute performance, l'intelligence artificielle, le calcul scientifique et d'autres domaines sont les principaux utilisateurs du calcul haute performance, et le big data Internet En particulier, le domaine de l'IA connaît une forte croissance.

Figure 6 : Part des domaines d'application de l'industrie TOP100 en Chine (2021.11)

3.2. Quelle est la taille du marché du calcul haute performance ?

Le 14e plan quinquennal et la nouvelle infrastructure propulsent le calcul haute performance vers une période de croissance rapide. La construction de centres de calcul haute performance dans notre pays établit principalement le plan de construction de centres de calcul haute performance par le biais d'accords de coopération entre ministères et provinces (municipalités). Le ministère de la Science et de la Technologie fixe des objectifs de performance d'accueil au nom de la science nationale. et la stratégie technologique. Le gouvernement local espère que le centre de calcul haute performance pourra devenir un support fonctionnel pour le développement scientifique et technologique régional, rassemblant les talents, innovant en science et technologie et favorisant le développement économique. En mars 2021, le « 14e plan quinquennal » de la Chine indiquait clairement qu'il était nécessaire « d'accélérer la construction d'un système national intégré de centres de mégadonnées, de renforcer la répartition intelligente globale de la puissance de calcul, de construire un certain nombre de nœuds centraux nationaux et de grands clusters de centres de données et construire un centre de calcul intensif de niveau E et de classe 10E. « Selon le plan, des centres de calcul haute performance seront créés à Hefei, Lanzhou, Xiamen, Taiyuan et ailleurs.

La mise en œuvre du projet « Eastern Digital and Western Computing » devrait promouvoir davantage le développement de centres de calcul haute performance dans la région occidentale. En février 2022, la Commission nationale du développement et de la réforme a approuvé le lancement de la construction de nœuds nationaux de puissance de calcul dans 8 endroits, notamment Pékin-Tianjin-Hebei, le delta du fleuve Yangtze, la région de la grande baie Guangdong-Hong Kong-Macao, Chengdu-Chongqing, Mongolie intérieure, Guizhou, Gansu et Ningxia, et cluster de centres de données prévu dans 10 pays. À ce stade, la conception générale de l'aménagement du système national intégré de centres de données volumineuses a été achevée, ce qui représente le lancement officiel du projet « Eastern Data and Western Counting ». L'Occident dispose d'une production d'énergie éolienne et photovoltaïque, d'une énergie abondante et d'une température moyenne annuelle relativement basse, ce qui est très approprié pour la survie des centres informatiques. Cependant, les entreprises de calcul haute performance n'ont pas une forte demande de communication en temps réel. À l'avenir, les centres de calcul haute performance devraient devenir la base de l'optimisation de la répartition de la puissance de calcul importante.

Nous estimons que l'investissement dans un grand centre de calcul haute performance s'élèvera à plus de 2 milliards de yuans par an. Sur la base d'une moyenne de 5 nouveaux centres de calcul haute performance construits chaque année, la taille du marché du haute performance. Le centre de calcul prévu par le gouvernement atteindra 10 milliards de yuans par an.

Le marché global du calcul haute performance en Chine dépassera les 40 milliards de yuans en 2022. En plus de la planification gouvernementale, de nombreux géants de l'Internet tels qu'Alibaba et Tencent déploient activement la construction de calculs hautes performances. Prenons l'exemple de Tencent. Son centre de calcul haute performance d'intelligence artificielle du delta du fleuve Yangtze, dont la construction a officiellement commencé en juin 2020, a investi plus de 45 milliards de yuans. Une fois terminé, il entreprendra divers calculs d'algorithmes d'IA à grande échelle et l'apprentissage automatique. , traitement d'images, calcul scientifique et tâches informatiques. De plus, les institutions financières, les opérateurs, etc. déploient activement leur propre calcul haute performance. Selon les prévisions de Guanyan Tianxia, ​​la taille globale du marché de l'industrie chinoise du calcul haute performance dépassera 40 milliards de yuans en 2022, avec un TCAC d'environ 13 % de 2021 à 2025.

4. Le paysage concurrentiel du marché du calcul haute performance est stable

Lenovo, Sugon et Inspur se classent parmi les trois premiers en termes de part de marché. À en juger par les statistiques du nombre de systèmes des grandes entreprises du TOP100 chinois de calcul haute performance, avant 2002, les TOP100 étaient principalement des HP et IBM étrangers, et plus tard les chinois Lenovo, Sugon et Inspur étaient les principaux.

Zhongke Sugon a achevé le super serveur du projet 863 « Sugon 2000 » avec une architecture de cluster évolutive en 1998. Après avoir achevé le super serveur « Sugon 3000 » en 2001, à partir de 2005, la concurrence sur le marché a commencé à montrer des performances exceptionnelles. , elle s'est classée première en part de marché en termes d'unités installées pendant 10 années consécutives, représentant près de 40 % en 2019.

Après qu'Inspur ait terminé le projet de serveur tolérant aux pannes « Projet 863 » en 2012, il a commencé à montrer des améliorations significatives en 2014.

Grâce à l'acquisition de la gamme de produits X86 HPC d'IBM en 2014, la part de marché de Lenovo a soudainement augmenté. En 2021, elle a atteint la première place dans le TOP100 des unités installées.

Parmi Lenovo, Inspur et Sugon, seul Sugon a produit au niveau national des droits de propriété intellectuelle indépendants, allant du matériel tel que les puces aux systèmes logiciels.

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