計算的商業(yè)化，何以搭上了「碳中和」的列車？
作者 | 陳彩嫻
編輯 | 岑峰
在 2020 年中國高性能計算機性能 TOP100 的排行榜中，部署在國家超算中心（無錫）的「神威 · 太湖之光」依然穩(wěn)居第一，國家超算中心（廣州）的「天河二號升級系統(tǒng)」位列第二，而榮登榜眼的，卻是此前名不見經(jīng)傳的北京超級云計算中心 A 分區(qū)。
這一排名，讓許多此前并不知道北京超級云計算中心的朋友大吃一驚：「超級云計算」是什么？北京超級云計算中心的「A 分區(qū)」究竟實力何在？
盡管大家對 A 分區(qū)的研制廠商戴爾（DELL）多有耳聞，但對 A 分區(qū)所部署的北京超級云計算中心卻幾乎一無所知，顧名思義，更容易將其與國家超算中心混淆。
這座超算中心成立于 2011 年，雖由中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心孵化、北京懷柔區(qū)政府支持成立，但卻不在國家的 8 個超算中心之列。
眾所周知，我國第一個國家超算中心成立于 2009 年，由天津濱海新區(qū)與國防科技大學(xué)合作共建，斥資 6 億。此后，國家又陸續(xù)在多個東部城市建立了超算中心：濟南、深圳、廣州、長沙、無錫、鄭州、昆山……
其「政府 + 高?！沟暮献髂Ｊ诫m與國家超算相似，但自創(chuàng)立之初，北京超級云計算中心的核心理念便注定了它的不同。
從 2011 年到 2020 年，北京超級云計算中心何以從一個籍籍無名的超算中心，成為躋身于中國高性能計算機 TOP100 榜單一員、并僅次于兩個國家超算中心的明星超算呢？
在中國高性能計算盛會 CCF HPC China 2021 中，我們有幸采訪了北京超級云計算中心的 CTO 郭宇，與他一同探究該中心的「成名之道」。
從建設(shè)的模式來看，北京超級云計算中心與國家超算中心有許多不同之處，其中，最大的不同便是：國家超算中心注重科研支持，而北京超級云計算中心的核心理念是超算商業(yè)化。
按照郭宇的話說，是「像設(shè)計產(chǎn)品一樣設(shè)計超算?！?/p>
被譽為「國之重器」的超級計算機，向來是大國之間的必爭之地。長久以來，這也形成了國家超算獨當一面、民間超算不為人知的局面。然而，任一行業(yè)的發(fā)展，必然是多方力量的融合與交匯，百花齊放，從而共同推進領(lǐng)域的前進。
那么，在中國的超算領(lǐng)域內(nèi)，北京超級云計算中心的位置在哪里？優(yōu)勢是什么？
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超算市場的形成
回顧 2011 年北京超級云計算中心的成立節(jié)點，除了兩個國家超算中心（天津與濟南）的成立所帶來的信號，超算市場的爆發(fā)早在過去的五年便有了行業(yè)的鋪墊與基礎(chǔ)：
2005 年以前，CPU 處理器處于「單核時代」，一個 CPU 只有一個核心。如果一臺服務(wù)器上有兩個 CPU，那么，搭建一個 1024 核的 CPU 則需要 512 個節(jié)點，12 個機柜，因為一個機柜最多只能裝40個節(jié)點。而每個機柜的寬度為 60 公分，12 個機柜則是 7.2 米，相當于一個普通教室的寬度。
但從 2006 年開始，CPU 處理器開始進入了「雙核」、并逐步拓展到「多核」時代。雙核處理器的出現(xiàn)，基于 x86 的計算架構(gòu)，英特爾與 AMD 在 CPU 服務(wù)器市場中的主導(dǎo)地位也就此形成：
2006 年年中，AMD 率先推出 AM2 平臺。兩個月后，英特爾發(fā)布 Conroe，性能直接提高 40%，與此同時，功耗也降低了 40%。但英特爾并不「就此罷休」，同年 11 月又直接推出全新的四核處理器 Kentsfield，直接把 CPU 推進了「多核時代」。
與單核的 CPU 相比，多核 CPU 的并行處理能力更強、計算密度也更高，并大大減少了散熱與功耗。后來，CPU 出現(xiàn)了 8 核、12 核、16 核……目前一個 CPU 最高已能達到 64 核。對于許多關(guān)注高性能計算的行業(yè)從事人員來說，他們認為，多核 CPU 必然會帶來計算與任務(wù)的并行化，也就是說，超算市場在未來會迎來爆發(fā)。
因此，回顧超算市場的發(fā)展歷史，在 CPU 進入「多核時代」后，北京超級云計算中心的成立，是卡在了CPU算力爆發(fā)的起點。但當時，北京超級云計算中心還未正式開始商業(yè)化的探索，前期工作也主要以維護中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心的超算集群，支持院內(nèi)科研項目為主。
除了技術(shù)的加持，國家超算中心的陸續(xù)成立，也逐漸在國內(nèi)孵化了一個算力的市場。
國家超算中心的建設(shè)模式是：科技部與地方政府各出一部分資金建設(shè)好國家超算中心后，在運營階段，超算中心的部分運營費用由地方政府的財政補貼，同時，國家部委和地方政府向部分高?？蒲腥藛T開放課題申請，由高?？蒲腥藛T從課題經(jīng)費中支出部分資金到國家超算中心去采購計算資源。
在這樣的模式下，國內(nèi)逐漸形成了一個商業(yè)循環(huán)的算力市場。隨著國家超算中心的出現(xiàn)，科研院所與高校逐漸縮減自建超算的規(guī)模，增加對外部超算資源的采購。如此一來，超算市場的用戶越來越多，對超算的需求也不斷增加。當市場擴大到一定的程度，必然會出現(xiàn)分化，分為尖端超算市場、通用超算市場與行業(yè)超算市場。
對于國家超算中心來說，服務(wù)如此分化明顯的市場并不是一件易事，且國家超算中心存在的目的主要是支持國家大課題（如航空、宇宙、氣象等）、推進科研進步。這就造成了超算市場的服務(wù)縫隙：海量需要超算資源的小課題用戶在提出需求時，并不能得到滿足。
正是看到超算市場的這一縫隙，2018 年，北京超級云計算中心開始了超算商業(yè)化的探索，希望能夠提供「隨需擴容」的計算服務(wù)，滿足尖端超算以外的大規(guī)模通用超算市場。
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超算商業(yè)化探索
中國高性能計算機 TOP100 的榜單排名由超級計算機計算能力決定，而計算能力主要由超級計算機的單節(jié)點性能與集群規(guī)模決定。
北京超級云計算 A 分區(qū)的 Linpack 測試性能達 3.743PFlops，計算峰值性能達 7.035PFlops，CPU 核數(shù)達到 192000，幾乎是第四名往后的計算機的三倍及以上。
據(jù)郭宇介紹，A 分區(qū)從 2019 年年底開始建設(shè)，而后在 2020 年逐步擴容到 3000 節(jié)點，背后的原因并不是為了爭奪 TOP3，而是為了滿足客戶的需求。
在郭宇看來，國內(nèi)的超算市場可以大致分為三類：尖端超算、通用超算與行業(yè)超算。其中，國家超算中心所服務(wù)的需求市場，便主要是尖端超算市場，滿足尖端超算需求的超級計算機，以難度高、設(shè)計性能平衡為主，要兼顧計算、訪存、通信與 I/O 等，服務(wù)對象是國家級的科研項目，重點是出成果，而不是盈利。
而北京超級云計算中心的目標市場是通用超算，主要面向萬核以下（尤其是千核以下）的應(yīng)用，為需求不一的海量用戶提供租賃式超算服務(wù)。對于北京超級云計算中心來說，他們的目標是超算的商業(yè)化運營，實現(xiàn)超算業(yè)務(wù)的盈利，反哺到中心建設(shè)的投入中，實現(xiàn)自給自足、靈活外延的正循環(huán)。
「讓計算不排隊」，是北京超級云計算中心的核心理念。
從 2011 年成立至今，北京超級云計算中心經(jīng)歷了兩個主要的階段：
剛成立的幾年，北京超級云計算中心以運營中科院體系內(nèi)的超算為主，包括中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心在 2014 年推出的超級計算機「元」、2015 年的「元」二期等等。在這一階段，北京超級云計算中心的建設(shè)模式、運營模式與國家超算中心的體系有許多相同之處。
到了 2017 年，他們逐漸發(fā)現(xiàn)了上述所說的國家超算中心無法滿足的外溢市場需求。隨著國內(nèi)科研發(fā)展的深入推進，高校教師對計算的需求越來越大，超算的用戶類型也越來越多，應(yīng)用越來越復(fù)雜，用戶對計算機的服務(wù)要求也越來越高。
比方說，有些用戶做計算，并不是簡單地將一個程序放到超級計算機上就可以直接運行，而是需要在Linux 命令行窗口下將源代碼進行編譯、調(diào)優(yōu)、集成甚至更復(fù)雜的適配移植，這對廣大只熟悉 Windows 操作系統(tǒng)的用戶來說過于復(fù)雜。
國家超算中心的主要任務(wù)是支持重量級的科研項目，取得出色的學(xué)術(shù)成果，如此一來，國家超算中心的計算資源自然會優(yōu)先分配給重要的科研團隊，這就導(dǎo)致了許多中小用戶享受不到好的服務(wù)，出現(xiàn)「排隊計算」的情況。
基于這一行業(yè)需求，北京超級云計算中心便思考從商業(yè)運營的角度去解決國家超算中心的這部分外溢需求，根據(jù)這部分通用超算客戶需求設(shè)計超級計算機和超算服務(wù)產(chǎn)品，通過靈活的方式將計算資源提供給超算市場的中小微「散戶」。
于是，2018 年，北京超級云計算中心發(fā)布了「中國科技云 · 超算云」，開始了超算商業(yè)化的探索征程。
他們以云服務(wù)的方式輸出超算資源，注重商業(yè)化運營，遵循「隨需供應(yīng)」、「按需擴容」的理念，在兩年間占領(lǐng)了一定的超算市場，贏取了客戶的信任，在吸引更多中小用戶的過程中對 A 分區(qū)進行了擴容與提升，最終在 2020 年贏得了中國高性能計算機 TOP100 排行榜的第三名。
郭宇表示：「贏得 TOP3 是結(jié)果，不是目的。我們打造超算，本心是為了服務(wù)客戶，獲得該榮譽是錦上添花?！?/p>
相對于聚焦 TOP3 的排名，郭宇更希望大家看到 A 分區(qū)背后的北京超級云計算中心及其獨特的建設(shè)與運營模式。
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關(guān)于「計算」模式的新思考
郭宇提出了一個有意思的觀點：作為一種「產(chǎn)品」，超算的獨特之處在于，在用戶購買超算資源時，用戶需要的并不是超級計算機，而是想要解決問題。就像人們在購買電鉆時，他們想要的并不是電鉆，而是電鉆在墻上鉆出的洞。
所以，在市場上推廣計算資源時，北京超級云計算中心往往是強調(diào)「客戶服務(wù)」，而不只是中心的資源情況。
從 A 分區(qū)來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，北京超級云計算中心與國家超算中心的模式多有不同：
首先是建設(shè)周期。國家超算中心由科技部或地方政府出資，超級計算機的項目申報需要經(jīng)過層層審批，建設(shè)周期一般為 3-5 年，而 A 分區(qū)由北京超級云計算中心根據(jù)市場需求決定。此外，A 分區(qū)的建設(shè)主要基于市場上已有的技術(shù)設(shè)備，減少了技術(shù)攻關(guān)的時間成本。
比如，A 分區(qū)從 2019 年年底開始建設(shè)，從一個試驗性的小集群到面向用戶開放，2020 年年中擴容，只用了5周便擴容 1000 個節(jié)點，后續(xù)又逐步擴容至3000節(jié)點。
其次是分布位置。從地圖上看，我們不難發(fā)現(xiàn)，國家超算中心基本分布在東部城市，而北京超級云計算中心的超算則主要分布在中西部，尤其是西部。A 分區(qū)便是分布在寧夏。超算中心是「耗電大戶」，從商業(yè)運營的角度看，西部的電價明顯更低。
在建設(shè) A 分區(qū)的時候，國家還沒有發(fā)布十四五計劃，「碳達峰」與「碳中和」的概念還未興起。郭宇談道，從北京超級云計算中心的角度來看，他們在建設(shè) A 分區(qū)時，主要是遵循商業(yè)運營的邏輯，而今年「雙碳」熱點出現(xiàn)后，他們意外地發(fā)現(xiàn)，自己的路線竟契合了國家的「雙碳」戰(zhàn)略。
「西部有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電，能源豐富，而且年平均氣溫比較低，十分適合計算中心的生存，所以我們將西部作為主要的節(jié)點。而且超算業(yè)務(wù)對實時通訊的需求不高，用戶更關(guān)心的是產(chǎn)品的價格，至于機器是在本地、還是在幾千公里以外的西部，他們并不關(guān)心?！构罱忉?。
北京超級云計算中心面向通用超算，用戶數(shù)量大，符合長尾效應(yīng)。郭宇談道：「有這些特點的市場，是比較適合用互聯(lián)網(wǎng)的方式去服務(wù)的。一是降低單用戶的成本，二是貼身服務(wù)。」
所以，無論是計算選址的確定，還是「超算 + 云服務(wù)」的互聯(lián)網(wǎng)運營模式，都體現(xiàn)了北京超級云計算中心在計算供應(yīng)中注重靈活與性價比的特點。
從 A 分區(qū)所搭配的 CPU 來看，也可窺見北京超級云計算中心的商業(yè)運營理念：
A 分區(qū)采用的是 AMD 在 2019 年推出的第二代 EPYC（霄龍）服務(wù)級處理器，代號羅馬（Rome），基于 7nm 工藝，搭載 64 核心 128 線程，在提升核心數(shù)量的同時也提升了時鐘速度，加速頻率可達 3.4GHz。
從計算機的角度來看，計算總共可以分為 4 種類型：計算密集型、訪存密集型、存儲密集型（I/O 密集型）與網(wǎng)絡(luò)通信密集型。北京超級云計算中心的主要客戶是訪存密集型的應(yīng)用， A 分區(qū)用戶的特點是：計算規(guī)模不大，價格敏感。而羅馬處理器主頻適中，計算性能適中，能耗低，性價比高，顯然更有利于商業(yè)運營。
郭宇坦言，北京超級云計算中心的目標并不是打造出像「神威 · 太湖之光」或「天河二號升級系統(tǒng)」這樣各方面性能均衡又出色的超級計算機，而是找到自己的市場定位，為目標用戶提供適合他們的超算方案。
根據(jù)處理器的類別，北京超級云計算中心的超算分區(qū)可以劃分為四大系列：
基于 AMD 芯片的 A 分區(qū)與 M 分區(qū)，以及 A 分區(qū)的加強版「A6 分區(qū)」
基于英特爾芯片的 T 分區(qū)與 L 分區(qū)
基于國產(chǎn)芯片的分區(qū)
基于英偉達芯片的 AI 智算云，比如 N17、N19 區(qū)
根據(jù)不同用戶的需求，北京超級云計算中心設(shè)立了不同的分區(qū)去滿足這些需求。比如，榮登 2020 年中國高性能計算機 TOP100 榜單的 A 分區(qū)便是專門針對計算密集型與訪存密集型的用戶，存儲性能加強的 I/O 分區(qū)專門面向 I/O 密集型用戶等等。
「中國科技云 · 超算云」匯聚了國家超算中心、互聯(lián)網(wǎng)云計算中心等資源，可以為用戶提供定制化的計算服務(wù)。同時，他們揭開了高性能計算的「神秘面紗」，為用戶提供運行問題解答、參數(shù)配置優(yōu)化、定制化腳本編寫等一系列服務(wù)，更有一對一專屬微信群、7 × 24 小時人工值守與 5 分鐘快速響應(yīng)等機制。
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自主研發(fā)離不開計算
近年來，越來越多企業(yè)高舉「自主研發(fā)」的旗幟。與此同時，產(chǎn)品的迭代周期加快。為了快速滿足市場的需求，研發(fā)人員會越來越多地利用數(shù)字化技術(shù)進行模擬仿真，其間產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，對計算的需求也會越來越多。
事實上，從 2010 年以來，許多企業(yè)也陸續(xù)建立了計算中心，但他們同樣面臨建設(shè)周期長、內(nèi)部計算資源協(xié)調(diào)難、計算排長隊的現(xiàn)象。企業(yè)一般是基于項目的優(yōu)先級進行計算資源的分配，但人工協(xié)調(diào)的效率較低，影響了研發(fā)項目的進展。
郭宇認為，隨著人們對云計算優(yōu)勢的認識加深，云計算的市場也在不斷擴大。在新基建中，「數(shù)據(jù)中心」對應(yīng)的便是云計算，云計算是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。同時，隨著「雙碳」規(guī)劃的推進，碳排放指標也將成為自建超算中心發(fā)展的限制因素之一。而北京超級云計算中心在分布位置上的先見之明，無疑將在未來的逐鹿上優(yōu)勢漸顯。
作為國內(nèi)第一家成規(guī)模的、市場化運營的超算中心，北京超級云計算中心的建設(shè)模式，啟示了中國超算市場的發(fā)展現(xiàn)狀：除了國家超算中心，越來越多由地方政府支持、市場化資本創(chuàng)辦的超算中心展示了其在推進中國超算發(fā)展上的獨特優(yōu)勢。
比如，在 2020 年中國高性能計算機 TOP100 的榜單排名上，除了北京超級云計算中心 A 分區(qū)獲得佳績，內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)的內(nèi)蒙古高性能計算公共服務(wù)平臺（青城之光）位居第四。
除了尖端超算與通用超算，中國的超算市場還有一股重要的力量：公有云廠商，比如阿里云、華為云與亞馬遜云（AWS）。北京超級云計算中心的另一塊重要業(yè)務(wù)——行業(yè)超算，便與這股力量有所交織與重疊。
行業(yè)超算更注重實際業(yè)務(wù)，應(yīng)用規(guī)模為單核到幾千核不等，超算只是業(yè)務(wù)中的一環(huán)。比方說，在基因測序的過程中，基因測序儀產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這時候，如果數(shù)據(jù)存儲在云上，使用云的存儲、網(wǎng)絡(luò)與計算資源等等服務(wù)進行基因的測序與分析，那么整個業(yè)務(wù)流程就會十分流暢。
對于這類業(yè)務(wù)流程，郭宇認為，單靠通用超算是很難滿足的。從北京超級云計算中心的角度來看，他們會考慮將通用超算與云廠商的云服務(wù)資源相結(jié)合。除了核心的計算業(yè)務(wù)，公有云廠商還提供豐富的云服務(wù)組件，能更好地解決用戶的問題。
「對用戶來說，解決問題最重要。至于計算資源來自哪里，他們并不在乎。我們就是要把各種優(yōu)勢的資源組合在一起，滿足客戶的需求?！构钫劦?。
從 2018 年至今，北京超級云計算中心已服務(wù)超過 15 萬用戶， 已實現(xiàn)連續(xù)盈利。
比如，北京超級云計算中心曾支持中科院力學(xué)所研究中速磁浮列車的空氣動力學(xué)外形優(yōu)化設(shè)計。中速磁浮列車氣動外形優(yōu)化研究需要針對一系列優(yōu)化外形進行數(shù)值模擬研究，對計算資源的要求較高，單工況網(wǎng)格量約 6000 萬左右，流場特性研究及外形優(yōu)化研究中產(chǎn)生的計算工況上百計。
在這個項目中，北京超級云計算中心提供了可靈活拓展的大量計算節(jié)點，保證了多任務(wù)的提交計算。最終，他們確定的最優(yōu)化流線外形，相對于原始外形，頭車氣動升力系數(shù)增加了 33.25%，尾車氣動升力系數(shù)減少了 1.78%，整車氣動阻力系數(shù)減小了 4.44%，大幅提升了中速磁浮列車的氣動性能。
「從用戶的角度看，建設(shè)幾千核的計算資源，先不說時間，就投資成本來講，現(xiàn)在的主流服務(wù)器，一個節(jié)點大概是 40 核心，如果他用的是 5000 核的計算資源，那么就需要 125 個節(jié)點，125 個節(jié)點大概需要投資1200多萬，但他們的項目時長只有兩個月。」郭宇介紹。
因此，從投入產(chǎn)出比來看，對一些短期的項目來說，直接采購計算資源顯然更劃算。
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計算緊跟時代
在郭宇看來，目前國內(nèi)的超算市場展示了以下三個趨勢：
趨勢一：國內(nèi)的企業(yè)越發(fā)重視自主研發(fā)，計算需求增加，同時也越來越愿意接受云計算的模式。
趨勢二：國產(chǎn)化的推進加深。在超算體系中，芯片、操作系統(tǒng)、應(yīng)用等等方面的國產(chǎn)化趨勢將越來越明顯。
趨勢三：計算體系架構(gòu)正在革新。隨著人工智能、加速計算的興起，以異構(gòu)計算、加速卡為引導(dǎo)的 GPU 力量正在崛起。
郭宇談起，他在 2019 年去美國參加全球超級計算大會（SC19）時，席間與美國高校的老師聊天，得到的訊息便是：「在現(xiàn)在的環(huán)境下，如果你沒有搞點 GPU 的加速計算，文章都難發(fā)。從學(xué)術(shù)的角度看，CPU 體系已經(jīng)研究地差不多，下一個重點就是 GPU?！?/p>
2021 年正好是北京超級云計算中心成立的十周年。作為一家商業(yè)化運營的超算中心，郭宇介紹：「我們肯定會堅定不移地走超算商業(yè)化的道路。與此同時，他們也會與時俱進，根據(jù)國內(nèi)超算市場的發(fā)展趨勢，制定新的發(fā)展方針。
緊跟學(xué)術(shù)界的研究趨勢，北京超級云計算中心也加大了在 GPU 計算領(lǐng)域的投入，建設(shè)基于 GPU 加速卡的計算分區(qū)。隨著人工智能計算的興起，以及異構(gòu)計算模式的變化，他們也順勢建立了「AI智算云」，以滿足部分從事人工智能研究學(xué)者的需求。
相應(yīng)地，針對企業(yè)的自主研發(fā)需求，北京超級云計算中心也逐步推出了一系列面向企業(yè)的計算資源，比如針對 CAD 三維設(shè)計和中小規(guī)模 CAE 仿真計算的設(shè)計仿真云，支持海量中小企業(yè)實現(xiàn) " 云上研發(fā) "，可以極低成本起步，推動中小企業(yè)高速發(fā)展，為國家中小企業(yè)發(fā)展打造堅實云上研發(fā)平臺。針對超算體系國產(chǎn)化的趨勢，他們也有了基于國產(chǎn)芯片的集群，與國產(chǎn)軟件廠商合作，通過云化的方式，幫助國產(chǎn)應(yīng)用更好地觸及用戶。
在郭宇看來，「讓計算不排隊」不僅是一句口號，更是切實、堅定的實踐。
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