南方財經全媒體記者 周蕊 向秀芳 紐約報道
高性能計算 (high performance computing)是指使用超級計算機和計算機集群來解決復雜計算問題的一項技術。隨著技術的進步，高性能計算現(xiàn)已應用在廣泛的領域，包括機器學習，人工智能，以及經濟金融等領域。
2021年，計算機領域的最高獎項圖靈獎被授予美國計算機科學家，美國國家工程院院士、田納西大學電氣工程和計算機科學系教授杰克·唐加拉（Jack J. Dongarra），以表彰他在高性能計算領域的卓越成就。
圖靈獎被稱為“計算機領域的諾貝爾獎”，由美國計算機協(xié)會（ACM）于 1966 年設立，目的之一是為了紀念世界計算機科學的先驅艾倫·圖靈（A.M. Turing），每年評選出在計算機領域作出重大貢獻的一到兩名科學家。
美國計算機協(xié)會稱，杰克·唐加拉通過對線性代數(shù)運算的高效數(shù)值算法、并行計算編程機制和性能評估工具的貢獻引領了高性能計算的世界。
本期《直擊華爾街》我們邀請到杰克·唐加拉教授，請他談一談2023年高性能計算領域的突破，以及展望未來，高性能計算在經濟領域的應用與創(chuàng)新。
南方財經：目前高性能計算領域面臨哪些挑戰(zhàn)，研究人員設想在未來幾年如何應對這些挑戰(zhàn)？
Jack Dongarra：在高性能計算方面，我們面臨著許多挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)可能就是能效。隨著高性能計算系統(tǒng)的功能越來越強大，它們需要消耗大量能源。因此，計算中的能效對于降低運行成本和環(huán)境影響至關重要。因此，研究人員將重點放在開發(fā)節(jié)能硬件、優(yōu)化算法和探索極致的冷卻技術上。
可擴展性是另一個重點。因此，隨著問題復雜性的增加，以及高性能計算機系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的增長，我們確實必須考慮到這些系統(tǒng)的可擴展性。因此，研究人員正在研究并行編程模型、軟件庫和工具，以充分利用這些大規(guī)模并行架構的潛力，其中包括圖形處理單元和加速器。另一個大問題是內存層次結構。就數(shù)據(jù)移動性能而言，內存、計算機內存、訪問時間仍是時下高性能計算的一大難題。因此，研究人員正在開發(fā)先進的內存層次結構，包括高內存帶寬、非易失性內存、存儲類內存，以彌合我們所擁有的極快處理器與相對較慢的傳統(tǒng)內存之間的差距。
正如我剛才提到的，隨著數(shù)據(jù)密集型應用的增長，數(shù)據(jù)在處理器和存儲之間的移動是存儲領域的一大挑戰(zhàn)。我們已經在高性能系統(tǒng)中采用異相架構，其中包含 CPU、GPU、FPGA 和人工智能加速器，優(yōu)化軟件以高效運行是我們面臨的主要挑戰(zhàn)。我們必須努力開發(fā)工具和編程模型，以便有效應對這一挑戰(zhàn)。
韌性是我們必須考慮的另一個問題。大規(guī)模、高性能的系統(tǒng)很容易出現(xiàn)硬件故障，我們必須以某種方式確保系統(tǒng)的恢復能力，以便應用程序能夠真正完成運行。如今，數(shù)據(jù)分析集成愈發(fā)重要，我們必須在應用程序和解決問題的方式中考慮到這一點。總之，需要解決軟件的復雜性問題。因此，我們的高性能計算機軟件棧堆變得越來越復雜。這使得在應用程序中開發(fā)和維護一個端口極具挑戰(zhàn)性。
最后，或許將人工智能和機器學習集成是我們現(xiàn)在工作的重要部分。我們確實需要了解如何使用這些工具來幫助我們解決問題。
南方財經：回顧2023年，也就是過去的一年，高性能計算領域有哪些重要的突破？
Jack Dongarra：有很多。從科學研究和發(fā)現(xiàn)的角度來看，高性能計算確實能讓各個領域的研究人員，包括物理、化學、生物、氣候科學等，模擬復雜的現(xiàn)象。這導致了許多領域的突破。從藥物發(fā)現(xiàn)、材料到氣候建模，所有這些都得益于高性能計算。我們在航空航天和國防工業(yè)中也看到了高性能計算帶來的好處。高性能計算機對于飛機、航天器和軍事系統(tǒng)的設計和模擬至關重要。它縮短了開發(fā)時間，降低了成本，同時提高了安全性和性能。我們已經看到了制造和工程領域的進步和優(yōu)勢。汽車、航空航天和制造等行業(yè)使用高性能計算機對產品和制造流程進行模擬和優(yōu)化。這有助于提高產品質量，降低產品成本，加快產品上市速度。在能源行業(yè)，HPC 有助于能源資源的高效勘探和生產。這包括石油、天然氣、可再生能源等。它還在電網管理、優(yōu)化能源分配和開發(fā)清潔能源技術方面提供幫助。通過風險管理、算法交易、故障檢測和投資組合優(yōu)化，金融和銀行業(yè)從高性能計算機中受益匪淺。
所有這些都影響著全球金融市場。醫(yī)療保健生命科學是高性能計算的另一個領域，它通過加速基因組研究、藥物發(fā)現(xiàn)、個性化醫(yī)療、疾病建模等方面提供了真正的幫助。它們都從使用高性能計算中受益匪淺。還有氣候領域的天氣預報。在氣候領域，準確的天氣預報確實取決于高性能計算。天氣預報與我們每個人都息息相關。我們打開新聞，收聽天氣預報。這些都是由高性能計算機處理的。汽車和運輸行業(yè)在設計方面確實是一個系統(tǒng)，而高性能計算在優(yōu)化運輸物流和管理自動駕駛車輛方面為少數(shù)高效車輛提供了幫助。娛樂和媒體也依靠高性能計算機進行復雜的圖形渲染、模擬和內容創(chuàng)作。政府的國家安全工作也得益于高性能計算，如網絡安全加密、智能分析等，都得益于高性能計算機。此外，像災難管理響應、保護國家基礎設施等，都依賴于高性能計算。因此，高性能計算在很多方面都對我們的生活方式產生了實際的影響。
南方財經：高性能計算正在影響著各行各業(yè)，影響著我們的生活。隨著技術的進步，人們擔心工作崗位會被取代。您認為高性能計算將如何創(chuàng)造新的就業(yè)機會？您認為哪些技能對進入該領域工作的個人至關重要？
Jack Dongarra：高性能計算在模塊化方面的確進展迅速。我們擔心技術進步中的自動化會導致工作崗位流失，但這也是創(chuàng)造就業(yè)機會的重要機遇。因此，高性能計算是一個涉及多學科的領域，它能為各行各業(yè)創(chuàng)造新的就業(yè)機會。我們需要高性能系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員。有些系統(tǒng)非常復雜，需要技術熟練的人員來管理這些應用開發(fā)。因此，我們需要經驗豐富、能夠優(yōu)化高性能計算環(huán)境中并行應用程序使用的軟件開發(fā)人員。這就需要熟練的程序員，他們需要掌握 C、C++ 等語言，以及 NPI、open NP 和 CUDA 等技術。當然，科學和數(shù)據(jù)科學以及分析是一個很大的領域，與數(shù)據(jù)科學和分析密切相關。我們需要具備處理海量數(shù)據(jù)資產、機器學習和數(shù)據(jù)可視化技能的人才。
如今，人工智能和機器學習的整合是高性能計算領域的一件大事。我們需要了解如何使用這些工具的人才，他們能夠有效地將這些工具應用到我們所擁有的資源中。網絡安全是一件至關重要的事情，我們需要解決這個問題。因此，我們需要能夠保護這些系統(tǒng)免遭網絡盜竊并確保數(shù)據(jù)隱私的專家。研究開發(fā)當然是所有這些工作的關鍵，擁有高性能計算經驗的研究科學家工程師將在開發(fā)新技術方面發(fā)揮關鍵作用。此外，我們還需要云計算、混合系統(tǒng)等方面的人才，他們需要了解并能夠管理混合云、高性能計算機環(huán)境，能夠熟悉亞馬遜、Azure、微軟和谷歌云等云提供商，能夠處理 Docker 和 Cuponatic，這些人才都非常寶貴。這些為高性能計算和項目管理提供培訓的顧問和人員。因此，所有其他技能、軟技能以及程序、解決問題的技能都至關重要，應用批判性思維、團隊合作以適應高性能計算。
南方財經：聽起來這些工作都需要高技能、高學歷人才。例如，你提到了研究人員、工程師、數(shù)據(jù)科學家和應用程序開發(fā)人員，那么ChatGPT 等技術創(chuàng)新將如何影響藍領工人？
Jack Dongarra：我想說的是，我們需要繼續(xù)培訓、學習，跟上高性能計算技術的最新發(fā)展。這些人、藍領工人需要在某種意義上適應他們的技能，以適用于網絡協(xié)作方面即將出現(xiàn)的新浪潮，這對于在這個充滿活力、快速發(fā)展的領域實現(xiàn)職業(yè)發(fā)展至關重要。因此，我看到從高技能程序員到藍領工人等各方面人才的大量需求，他們曾幫助開發(fā)技術，而這些技術將快速到位，進一步推動計算技術的發(fā)展。
南方財經：下一個問題是關于中國的高性能計算。中國在全球超級計算機排行榜上一直名列前茅。您如何看待中國在高性能計算領域的發(fā)展？
Jack Dongarra：中國參與高性能計算已有多年。從高性能計算的發(fā)展來看，這一點很有意思。2001 年，中國還沒有超級計算機進入 500 強名單，即運行速度最快的計算機名單。但從那之后，中國的超級計算機數(shù)量在 500 強中占據(jù)了主導地位。
因此，中國在組織高性能計算方面發(fā)展非常迅速。我們之所以知道中國擁有一些技術精湛的計算機，是因為有一些出版物、科學出版物介紹了在中國這些高性能計算機上進行的科學研究。他們有各種應用領域，當然，在處理高性能計算的學生和熟練勞動力方面，他們也有大量的人才儲備。
因此，總體而言，中國的高性能計算市場非常活躍。因此，中國在高性能計算領域取得的成就凸顯了技術在推動科研創(chuàng)新和經濟發(fā)展方面的重要性。值得注意的是，該領域的競爭是全球性的，各國都在進行大量投資。中國的進步證明了高性能計算在全球的重要性，以及對社會各方面產生積極影響的潛力。
南方財經：最后兩個問題是關于您的個人。我們知道您是 2021 年圖靈獎的獲得者。獲得圖靈獎對您個人來說意味著什么？你認為它對你的職業(yè)生涯有什么影響？
Jack Dongarra：圖靈獎是我成就的基石，是對我成就的認可，也是對我職業(yè)生涯的認可。圖靈獎是由計算機協(xié)會頒發(fā)的一個非常有聲望的科學獎項。這是我們領域最高級別的認可。它是最杰出的獎項之一，經常被比作諾貝爾獎。因此，獲得該獎確實是一個具有巨大影響力的獎項，它是對我本人和我的同事們長期以來所做工作的證明。
你知道，從結構化行為到LINPACK基準，再到并行計算和美國算法，再到各種書籍和出版物，還包括我在田納西大學小組中培養(yǎng)出來的學生。在我的職業(yè)生涯中，我有能力開展國際合作，從某種意義上說，這個獎項不僅是對我的成就的認可，也是對我們作為一個團體在高性能計算領域所取得的成就的認可。我認為圖靈獎是對我在這一領域所做貢獻的認可。
南方財經：回顧您的職業(yè)生涯，您認為哪些時刻或成就特別有意義或有價值？
Jack Dongarra：你提到的其中一些已經有眉目了。我對并行計算的貢獻在于美國算法，所以我們在這里做的事情之一就是為高性能計算機開發(fā)美國算法，并將其轉化為軟件。因此，我們開發(fā)了軟件，然后供社區(qū)、全球社區(qū)使用，軟件免費提供，在使用方面有非常寬松的許可，基本上可以說，你可以使用它，你可以將它嵌入到你開發(fā)的各種軟件中，我認為這有很長的路要走，使它非常成功。
在過去的 40 年里，我有幸參與了幾個非常成功的基準測試項目。LINPACK 基準是最快計算機 500 強名單中的一員。因此，我認為這些項目更多出于愛好。它們能讓社區(qū)了解高性能計算的發(fā)展情況。它們讓我們能夠以無偏見的方式衡量計算機的有效性。從某種意義上說，它沒有商業(yè)投入，也不會受到商業(yè)方面的影響，而是以一種無偏見的方式進行。我想說，這些肯定是其中的一些主要成就。
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