High Performance Computing (HPC) là gì?

High performance computing (HPC) dựa trên xử lý song song các hoạt động điện toán phức tạp. Một hệ thống HPC chia khối lượng công việc thành các tác vụ nhỏ hơn và gán chúng cho nhiều tài nguyên để xử lý đồng thời. Các khả năng điện toán song song này cho phép các cụm HPC thực hiện khối lượng công việc lớn nhanh hơn và hiệu quả hơn so với mô hình điện toán truyền thống.

Những hệ thống này có thể được thiết kế để nâng cấp hoặc mở rộng quy mô. Các thiết kế nâng cấp giữ một công việc trong một hệ thống duy nhất nhưng chia tách nó ra để một số lõi bộ xử lý riêng lẻ có thể thực hiện công việc. Mục tiêu của thiết kế nâng cấp là tối đa hóa việc sử dụng một máy chủ riêng lẻ. Các thiết kế có thể mở rộng quy mô cũng chia một công việc thành các phần có thể quản lý được phân phối trên nhiều máy chủ.

Tại sao High Performance Computing lại Quan trọng?

High performance computing không phải là mới. Các máy trạm HPC và siêu máy tính từ lâu đã đóng vai trò không thể thiếu trong nghiên cứu học thuật, giải quyết các vấn đề phức tạp và thúc đẩy các khám phá và đổi mới.

Các nhà khoa học, kỹ sư và nhà nghiên cứu dựa vào HPC cho nhiều trường hợp sử dụng, bao gồm dự báo thời tiết, thăm dò dầu khí, vật lý, cơ học lượng tử và các lĩnh vực khác trong nghiên cứu học thuật và các ứng dụng thương mại.

Khả năng điện toán song song của HPC có thể giúp tăng tốc đáng kể các quy trình lặp lại so với điện toán truyền thống. Ví dụ: HPC có thể giảm thời gian chạy để đào tạo các mô hình học sâu từ vài ngày xuống vài giờ. Khi các ứng dụng AI và dữ liệu lớn trở nên phổ biến và tài nguyên điện toán nâng cao trở nên dễ tiếp cận hơn và có giá cả phải chăng, HPC đang được triển khai để giải quyết một loạt các thách thức ngày càng rộng, cho phép đổi mới rộng rãi.

HPC Hoạt động Như thế nào?

Mặc dù HPC có thể chạy trên một nút duy nhất, sức mạnh thực sự của nó đến từ việc kết nối nhiều nút HPC vào một cụm để triển khai siêu điện toán và điện toán song song. Các cụm HPC có thể tính toán các mô phỏng quy mô cực lớn, suy luận AI và phân tích dữ liệu có thể không khả thi trên một hệ thống duy nhất.

Siêu máy tính hiện đại là các cụm HPC quy mô lớn bao gồm CPU, bộ gia tốc, cấu trúc truyền thông hiệu năng cao và bộ nhớ và bộ lưu trữ tinh vi, tất cả hoạt động cùng nhau trên các nút để ngăn chặn tắc nghẽn và mang lại hiệu năng tốt nhất.

Các thư viện phần mềm nền tảng HPC, các khung được tối ưu hóa cho dữ liệu lớn và học sâu, và các công cụ phần mềm khác giúp cải thiện thiết kế và hiệu quả của các cụm HPC.

Cụm HPC là gì?

Một cụm HPC là sự kết hợp của các máy chủ riêng biệt, được gọi là các nút, hoạt động như một đơn vị cho điện toán song song. Các cụm HPC được kết nối với nhau qua mạng nhanh và khung xử lý phân tán được điều phối thông qua phần mềm. Các cụm HPC có thể mở rộng để xử lý lượng dữ liệu lớn và các hoạt động rất phức tạp ở tốc độ cao.

Lợi ích của High Performance Computing

Bằng cách thực hiện các hoạt động chuyên sâu về điện toán trên các tài nguyên được chia sẻ, HPC có thể đạt được kết quả nhanh hơn và với chi phí thấp hơn so với các phương pháp điện toán truyền thống. Trong nhiều trường hợp, hệ thống máy tính truyền thống sẽ mất một lượng thời gian không thực tế hoặc không thể thực hiện được để giải quyết một phép tính hoặc mô phỏng phức tạp hoặc để đào tạo một mô hình AI đặc biệt phức tạp. Bản chất song song của HPC mang lại hiệu quả có thể tiết kiệm hàng giờ hoặc cả ngày xử lý.

Với tính khả dụng ngày càng cao của bộ xử lý có thể mở rộng, hiệu năng cao và bộ nhớ, bộ lưu trữ và kết nối mạng dung lượng cao, tốc độ cao, các công nghệ HPC đã trở nên dễ tiếp cận hơn. Do đó, HPC đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn để giải quyết các vấn đề phức tạp, phân tích các bộ dữ liệu lớn và đưa ra các giải pháp đổi mới trong các môi trường chính phủ và thương mại cũng như trong học viện.

Các tài nguyên dựa trên đám mây cũng có thể giúp HPC có giá cả phải chăng hơn. Các nhà khoa học và kỹ sư có thể chạy khối lượng công việc HPC trên cơ sở hạ tầng tại chỗ của họ hoặc nâng cấp và mở rộng trong đám mây để giúp giảm nhu cầu đầu tư vốn.

Những Thách thức của High Performance Computing

Các hệ thống HPC cung cấp các lợi ích hấp dẫn, nhưng chúng cũng có thể đặt ra những thách thức riêng biệt. Vì HPC được thiết kế để xử lý các vấn đề phức tạp, bản thân các hệ thống thường lớn, phức tạp và đắt tiền. Khi các hệ thống HPC được nâng cấp để bao gồm hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn lõi bộ xử lý, chúng tiêu thụ năng lượng rất lớn và yêu cầu làm mát mạnh mẽ, dẫn đến chi phí vận hành cao. Ngoài ra, việc giữ lại đội ngũ chuyên gia HPC đủ điều kiện có thể là thách thức và tốn kém để thiết lập và chạy hệ thống. Trong một số trường hợp, di chuyển các quy trình HPC chính sang đám mây có thể giúp giảm chi phí.

Các thách thức bảo mật cũng được tăng cường do độ phức tạp của các hệ thống HPC và bản chất kết nối với nhau của các hoạt động song song. Các ứng dụng HPC thường dựa trên các bộ dữ liệu lớn, bao gồm dữ liệu nhạy cảm, khiến chúng trở thành mục tiêu hấp dẫn cho tội phạm mạng và gián điệp mạng. Các hệ thống HPC cũng có thể được chia sẻ giữa các nhóm người dùng lớn, do đó làm tăng thêm các lỗ hổng của hệ thống. Các quy trình quản trị dữ liệu và an ninh mạng nghiêm ngặt phải bao gồm kiểm soát truy cập để người dùng trái phép hoặc mã độc không thể được đưa vào hệ thống.

Các ví dụ về High Performance Computing

Các phòng thí nghiệm nghiên cứu, chính phủ và doanh nghiệp ngày càng dựa vào HPC để mô phỏng và lập mô hình trong các ứng dụng đa dạng, bao gồm an toàn giao thông, lái xe tự động, thiết kế và sản xuất sản phẩm, dự báo thời tiết, phân tích dữ liệu địa chấn và sản xuất năng lượng. Các hệ thống HPC cũng góp phần vào những tiến bộ trong y học chính xác, đánh giá rủi ro tài chính, phát hiện gian lận, động lực học chất lỏng điện toán và các lĩnh vực khác.

HPC và AI

AI HPC cung cấp cơ sở hạ tầng điện toán song song để hỗ trợ các thuật toán AI tiên tiến, cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư mở rộng ranh giới của AI và các ứng dụng học sâu.

HPC trong Dịch vụ Tài chính

HPC có thể giúp hợp lý hóa việc triển khai AI trong các dịch vụ tài chính, cũng như xử lý các bộ dữ liệu ngày càng lớn và phức tạp để hỗ trợ phân tích thị trường và định giá các tùy chọn gần như thời gian thực, giám sát giao dịch và phát hiện gian lận.

HPC trong Ngành Công nghiệp Ô tô

Các hệ thống HPC hỗ trợ ngành thiết kế và kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính cũng như mô phỏng và thử nghiệm cho các mô hình xe mới. Việc phát triển không ngừng của xe tự lái cũng dựa trên các hệ thống HPC để đào tạo các mô hình AI lặp đi lặp lại.

AI trong Ngành Khoa học Đời sống và Chăm sóc Sức khỏe

Các công nghệ HPC và AI được sử dụng để tăng tốc và đơn giản hóa phân tích bộ gen nhằm hỗ trợ y học chính xác, cũng như mô phỏng động lực phân tử để khám phá và thử nghiệm các phương pháp điều trị dược phẩm sinh học mới.

HPC trong Chính phủ

Các cơ quan khu vực công, trường đại học và phòng thí nghiệm nghiên cứu sử dụng HPC để tăng tốc khám phá, tự động hóa và ra quyết định dựa trên dữ liệu.

HPC trong An ninh mạng

HPC cung cấp các cải tiến do AI hỗ trợ cho các giải pháp an ninh mạng giúp bảo vệ các tổ chức, hệ thống, người dùng và dữ liệu của họ trước các cuộc tấn công mạng ngày càng tinh vi.

Tương lai của High Performance Computing

Khi phần cứng và phần mềm HPC không ngừng trở nên dễ tiếp cận hơn và phổ biến hơn trong trung tâm dữ liệu và trong đám mây, các công nghệ HPC có thể được dự kiến sẽ thúc đẩy sự đổi mới và năng suất cho các doanh nghiệp và cơ quan chính phủ ở mọi quy mô. Các siêu máy tính HPC cũng đang trên đà vượt qua giới hạn ngoại hạng, tăng khả năng của chúng để giải quyết những thách thức thậm chí còn phức tạp hơn. Trong tương lai, các hệ thống HPC có thể tận dụng điện toán lượng tử để đạt được sức mạnh xử lý chưa từng có, mặc dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm cao. Khi khả năng xử lý HPC tiếp tục mở rộng, khả năng của các hệ thống để giải quyết các thách thức liên quan đến kỹ thuật, khoa học và AI phức tạp nhất của chúng tôi cũng vậy.