随着数据量呈指数级增长，计算需求也变得越来越复杂，一个经常被提及的术语是“高性能计算”或HPC。但它究竟意味着什么?数据中心运营商如何利用它来增强运营?
高性能计算使用超级计算机和计算机集群来解决高级计算问题。这些系统旨在提供比传统计算设置高得多的性能，使操作员能够处理曾经被认为不可能或极其耗时的任务。
高性能计算应用的一些示例包括电影特效、增强和虚拟现实、医疗保健、基因测序(包括对COVID-19基因组进行测序)、药理科学和城市规划。
高性能计算与超级计算：有什么区别?
高性能计算(HPC)和超级计算经常互换使用，但它们略有不同。超级计算通常描述大量数据或复杂计算的处理。而HPC涉及使用多台超级计算机来处理许多复杂计算。
了解HPC基础知识
应用和工作负载
高性能计算的应用范围广泛且多种多样。从科学研究和学术模拟到数据分析和机器学习，HPC系统在突破可能性的界限方面发挥着重要作用。数据中心运营商可能会遇到各种工作负载，从计算流体动力学和分子建模到气候建模和实时股票趋势分析。
利用HPC获得竞争优势
在当今竞争异常激烈的环境中，拥有高性能计算可以改变游戏规则。它允许组织以无与伦比的速度和准确性执行大量计算、分析大型数据集并模拟复杂场景。无论是加速药物发现过程、实时检测欺诈还是优化交易策略，HPC都能提供不可忽视的竞争优势。
什么是HPC集群?
HPC集群是一种专用的计算基础设施，具有互连的计算节点，旨在为要求苛刻的计算任务提供高性能。这些集群通常由多台配备强大处理器、内存和存储资源的服务器组成。通过在多个节点上分配工作负载并利用并行计算技术，HPC集群可以处理大量数据并以惊人的速度和效率执行复杂的计算。
CPU和GPU
传统上，HPC集群主要依靠CPU(中央处理器)进行计算。虽然CPU擅长处理通用计算任务，但它们可能难以有效处理高度并行的工作负载。许多HPC系统现在将GPU(图形处理单元)与CPU结合起来以解决这一限制。
GPU专为并行处理而设计，擅长深度学习、复杂模拟和分子动力学任务。通过将可并行化任务卸载到GPU，HPC集群可以实现显著的性能提升，并更有效地处理复杂计算。
HPC和AI
高性能计算(HPC)和人工智能(AI)有着密切的联系，它们彼此增强并充分利用对方的功能。HPC和AI都擅长处理大量数据。HPC系统利用并行计算将数据密集型任务分配到多个处理器上。同时，AI算法会提取、分析和解释数据以识别模式和趋势，从而实现明智的决策和复杂的问题解决。
HPC系统的组件
高性能计算系统依赖于强大的基础设施，而不仅仅是计算硬件，包括实现最佳性能和可靠性所必需的电源和冷却解决方案。让我们探索HPC系统和数据中心基础设施的各个组件，重点介绍它们在支持复杂计算任务方面的关键作用。
计算能力
任何HPC系统的核心都是计算能力，由配备强大处理器、充足内存和快速存储解决方案的高性能服务器提供。这些服务器针对并行处理进行了优化，使其能够高效处理大型数据集并执行HPC应用所需的复杂计算。
数据存储
有效的数据存储对于HPC系统处理和管理HPC应用程序生成的大量数据至关重要。计算网络存储解决方案可以无缝处理数据并快速访问数据。
电力基础设施
可靠的电力基础设施对于确保HPC系统不间断运行至关重要。这包括冗余电源、不间断电源(UPS)和备用发电机，以降低断电风险并防止数据丢失或系统停机。
冷却基础设施
高效冷却对于防止过热和保持HPC系统的最佳运行条件至关重要。数据中心采用精密冷却系统，包括空调机组、液体冷却解决方案和冷通道封闭系统，以消散高性能服务器产生的热量并确保一致的性能。
网络基础设施
高速网络基础设施促进了HPC集群内计算节点之间的通信，并实现了存储系统和处理单元之间的数据传输。低延迟、高带宽网络连接优化了数据交换并支持并行处理工作流程。
管理和监控工具
全面的管理和监控工具为管理员提供HPC系统和数据中心基础设施运行状况和性能的实时洞察。这些工具支持主动维护、资源优化和故障排除，以确保最大正常运行时间和效率。
可扩展性和灵活性
可扩展性和灵活性是设计HPC系统和数据中心基础设施时的关键考虑因素。模块化设计、灵活配置和可扩展架构使组织能够适应不断变化的计算需求，随着需求的增长扩展其基础设施，并支持各种HPC应用和工作负载。
各个行业的HPC使用案例
高性能计算(HPC)已成为各行各业不可或缺的一部分，它使组织能够应对复杂的挑战、分析大型数据集并推动创新。让我们探索HPC如何改变中小型企业、企业、教育、联邦机构、医疗保健和零售行业的运营。
中小型企业
在中小型企业(SMB)中，HPC为处理大量数据、优化运营和获取推动战略决策的见解提供了增长机会。例如，HPC可以帮助小型制造企业优化生产流程、通过模拟提高产品质量，并分析客户数据以开展有针对性的营销活动。
企业
各个行业的企业都依赖HPC来提高生产力、创新和竞争力。在金融领域，企业使用HPC进行实时风险分析、算法交易和欺诈检测。在汽车行业，HPC支持虚拟原型设计、碰撞模拟和空气动力学建模。此外，企业还利用HPC在工程、天气预报和石油和天然气勘探领域进行高保真模拟。
教育
HPC在教育领域的研究、科学发现和学术合作中发挥着关键作用。大学和研究机构使用HPC进行模拟、分析大型数据集并推进物理、化学和生物学知识。HPC资源还使教育工作者能够教授计算技能、促进协作项目并为学生提供高性能计算的实践经验。
卫生保健
在医疗保健领域，HPC正在彻底改变医学研究、个性化医疗和医疗保健服务。HPC促进基因组分析、药物发现和疾病建模，加速新疗法和新疗法的开发。医疗保健提供商使用HPC进行医学影像分析、预测分析和患者结果研究，从而改善诊断和治疗策略。
零售
在零售业，HPC可实现数据驱动的决策、个性化营销和供应链优化。零售商利用HPC分析客户偏好、预测购买行为并优化定价策略。HPC资源还支持库存管理、需求预测和物流优化，从而提高效率并降低运营成本。
HPC中的电源和冷却
HPC和AI工作流程的电力和冷却要求是数据中心运营商的重要考虑因素。HPC和AI系统通常包含多个高性能服务器，这些服务器会消耗大量电力并产生大量热量。
数据中心必须实施强大的电源和冷却解决方案，以确保最佳性能并防止过热。这可能包括高效电源、先进的冷却技术(例如液体或热通道/冷通道封闭)以及细致的气流管理。
高效的电力和冷却基础设施可提高HPC和AI系统的可靠性和使用寿命，并有助于节省成本和实现环境可持续性。通过优化电源使用效率(PUE)并最大限度地降低能耗，数据中心运营商可以最大限度地提高其HPC和AI工作流程的效率和有效性。
HPC的未来
高性能计算(HPC)继续快速发展，这得益于技术进步、不断变化的计算需求以及各行各业的新兴应用。让我们探索HPC的未来以及塑造其发展轨迹的关键趋势和技术。
量子计算
量子计算有望大幅提高处理速度和能力。量子计算机可以解决复杂问题并执行传统计算机目前无法完成的计算。量子计算在密码学、材料科学和优化领域具有巨大潜力，有望彻底改变HPC应用。
边缘计算
边缘计算使计算更接近数据生成源，从而实现在网络边缘进行实时处理和数据分析。通过在边缘设备和集中式数据中心之间分配计算任务，边缘计算可以减少延迟、提高响应能力并节省带宽。在HPC中，边缘计算有助于在自动驾驶汽车和工业自动化等时间关键型应用中进行分布式模拟、传感器数据分析和决策。
人工智能与机器学习集成
将人工智能(AI)和机器学习(ML)技术集成到HPC工作流程中可增强处理、分析和从大量数据中获取见解的能力。AI算法可优化资源利用率、自动执行复杂任务并提高欺诈检测、分子建模和气候建模等HPC应用的预测准确性。深度学习框架和神经网络使HPC系统能够以前所未有的效率和准确性解决日益复杂的问题。
混合计算和云计算
混合和云计算模型将本地HPC基础设施与云资源相结合，以提供灵活性、可扩展性和成本效益。混合架构允许组织利用本地和基于云的HPC解决方案的优势，优化资源利用率并适应不断变化的计算需求。基于云的HPC服务提供对计算资源的按需访问，使组织能够运行复杂的模拟、处理大型数据集和部署应用程序，而无需前期基础设施投资。
百亿亿次计算
百亿亿次级计算是指每秒执行一千万亿次(10^18)浮点运算(FLOPS)的能力，这是HPC性能的一个重要里程碑。百亿亿次级系统能够以前所未有的速度模拟高度详细的模型、分析海量数据集并执行复杂的计算。百亿亿次级计算有望推动科学研究、加速创新并解决气候建模、药物发现和基础物理学方面的重大挑战。
异构架构
异构计算架构结合了CPU、GPU和加速器等处理单元，以优化特定HPC工作负载的性能和效率。通过将可并行化任务卸载到加速器和GPU，异构架构可以加速复杂计算、提高能源效率并增强整体系统性能。异构计算非常适合需要大规模并行性的应用，例如计算流体动力学、分子建模和深度学习。
互连技术
高速网络、InfiniBand和光纤互连等互连技术的进步使HPC中的计算节点之间能够实现高效的通信和数据传输。低延迟、高带宽互连有利于并行计算、分布式模拟和大规模数据分析，使HPC系统能够更有效地解决复杂问题。互连技术对于高效运行HPC工作负载和扩展计算资源以满足不断增长的需求至关重要。
优化HPC和AI基础设施
高性能计算提供了在当今以数据为中心的环境中推动创新和取得成功所需的强大计算能力。然而，随着人工智能技术的发展，与HPC工作负载相关的功耗和发热量已经超出了传统IT设备可以处理的范围。因此，传统的电源和冷却解决方案可能不再满足HPC系统的严格要求。为了确保基础设施不会减慢部署速度和限制工作负载，现在是时候根据人工智能重新考虑关键基础设施了。