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“云的規(guī)模正在重新定義HPC（高性能計算），它帶來的應(yīng)用和創(chuàng)新改變了游戲規(guī)則。如果沒有針對每個特定工作負(fù)載優(yōu)化的一系列實例，就無法為HPC創(chuàng)建具有成本效益的性能基礎(chǔ)，而HPC的極端規(guī)模意味著即使看似很小的資源差異也可能對性能、成本和運行速度產(chǎn)生重大影響”，亞馬遜云科技CEO Adam Selipsky在2022 re:Invent全球大會發(fā)表演講時說道。
HPC可以說是科技領(lǐng)域最"硬核"的行業(yè)之一，代表著計算技術(shù)的頂尖水平。長期以來，HPC一直在科研等高精尖領(lǐng)域發(fā)揮著重要價值，例如天氣預(yù)報、基因組測序、地理分析、計算流體動力學(xué) (CFD) 等工作負(fù)載方面。在普遍性的行業(yè)應(yīng)用中，HPC通常很難發(fā)揮價值，除了應(yīng)用需求使然，一個重要原因是HPC需要高昂的成本，普通行業(yè)的成本投入難以支持。
不過，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型在各行各業(yè)的深入，隨著數(shù)據(jù)量的快速增長，算力逐漸成為企業(yè)的戰(zhàn)略性資源，而云端近乎無限的集群算力，使越來越多的行業(yè)與場景創(chuàng)新可以通過云端HPC來完成。在可預(yù)見的未來，云上HPC的規(guī)模擴張成為必然，也正如Adam Selipsky所言——即使是很小的差異也會產(chǎn)生巨大影響。
云上HPC成為未來趨勢
在本地構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施來運行HPC工作負(fù)載，需要高昂的前期投資，包括冗長的采購周期、監(jiān)控軟硬件更新等持續(xù)的管理開銷，而當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施需要升級時，又面臨靈活性受限的挑戰(zhàn)。因此，一些行業(yè)用戶轉(zhuǎn)向在云中運行其HPC工作負(fù)載，能夠充分利用云提供的安全性、可擴展性和彈性。
從產(chǎn)業(yè)效率來看，盡管多數(shù)HPC任務(wù)目前仍然依賴超算中心和本地硬件，但是，在云端實現(xiàn)高性能、高安全且極具經(jīng)濟效益的高性能計算，可以說是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的大勢所趨。根據(jù)Hyperion Research數(shù)據(jù)，2022年底將有18.8%的HPC在云端運行，而2021年，這一數(shù)據(jù)是12.3%。
看好云上HPC的發(fā)展前景，多年來，亞馬遜云科技通過持續(xù)的投入，目前在HPC領(lǐng)域已經(jīng)形成了兩大核心差異點：芯片、云、存儲、軟件、AI等領(lǐng)域的技術(shù)經(jīng)驗的高度融合；以及面向行業(yè)需求與用戶痛點，進行了大量高度產(chǎn)業(yè)指向的軟硬件生態(tài)。通過高度可定制的 HPC 計算平臺，為用戶帶來多樣化的異構(gòu)計算資源、定制化的計算實例，以及大量低成本的軟件，幫助用戶解決管理與調(diào)度等領(lǐng)域的問題。
自研芯片的進階之路
自研芯片對亞馬遜云科技的云上進階具有非常關(guān)鍵的作用。自2013年推出Amazon Nitro系統(tǒng)以來，亞馬遜云科技已經(jīng)開發(fā)了多個自研芯片，包括五代Nitro系統(tǒng)、致力于為各種工作負(fù)載提升性能和優(yōu)化成本的三代Graviton芯片、用于加速機器學(xué)習(xí)推理的兩代Inferentia芯片，以及用于加速機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的Trainium芯片。
實踐證明，亞馬遜云科技更現(xiàn)代化、更節(jié)能的半導(dǎo)體處理確保了芯片的快速迭代及交付。每推出一款新的芯片，亞馬遜云科技都進一步提升了這些芯片支持的Amazon EC2實例的性能、效率以及更優(yōu)化的成本。并且，這些實例都針對工作負(fù)載需求進行了優(yōu)化，包括更快的處理速度、更高的內(nèi)存容量、更快的存儲輸入/輸出（I/O）和更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬等。
在2022 re:Invent全球大會上，亞馬遜云科技宣布推出三款由自研芯片支持的Amazon Elastic Compute Cloud（Amazon EC2）實例，能夠為廣泛的工作負(fù)載提供更高性價比。三款最新的Amazon EC2新實例分別是：
第一，Amazon EC2 Hpc7g實例采用最新款的Amazon Graviton3E處理器，為HPC工作負(fù)載提供極佳的性價比；
第二，Amazon EC2 C7gn配備新一代Amazon Nitro，具有增強的網(wǎng)絡(luò)處理能力，是目前Amazon EC2網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化型實例中，提供最高網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能的實例；
第三，Amazon EC2 Inf2實例，采用最新款的Amazon Inferentia2機器學(xué)習(xí)加速推理芯片，在Amazon EC2上以最低的延遲與成本，大規(guī)模地運行大型的深度學(xué)習(xí)模型。
亞馬遜云科技Amazon EC2副總裁David Brown表示：“從Graviton到Trainium、Inferentia再到Nitro，亞馬遜云科技每一代自研芯片都為客戶的各種工作負(fù)載提供更高的性能、更優(yōu)化的成本和更高的能效。我們不斷推陳出新讓客戶獲得卓越的性價比，這也一直驅(qū)動著我們的持續(xù)創(chuàng)新。最新推出的Amazon EC2實例為高性能計算、網(wǎng)絡(luò)密集型工作負(fù)載和機器學(xué)習(xí)推理工作負(fù)載提供了顯著的性能提升，客戶有了更多的實例選擇來滿足他們的特定需求?！?/p>
自研Graviton3E處理器，為HPC打造高性價比
在HPC算力層，亞馬遜云科技可提供包括CPU、GPU、Arm芯片在內(nèi)的多樣化異構(gòu)計算支持，以及定制化的彈性計算實例，滿足用戶在AI等HPC高發(fā)任務(wù)中的計算資源需求。除已有的基于 AMD Milan 處理器的 Hpc6a 實例以外，亞馬遜云科技推出了基于最新Graviton3E的Hpc7g實例、以及基于Intel處理器的Hpc6id實例，為高性能計算場景提供多種選擇。
其中，自研的Arm芯片在打造高性能、高性價比方向，帶來了足夠的差異化優(yōu)勢。以最新配備了Graviton3E處理器的Hpc7g實例來看，它提供了更多的網(wǎng)絡(luò)功能，擁有更高的內(nèi)存帶寬和200Gbps的EFA彈性結(jié)構(gòu)適配器網(wǎng)絡(luò)；與當(dāng)前一代C6gn實例相比，浮點性能提高了2倍；與當(dāng)前一代Hpc6a實例相比性能提高了20%，為亞馬遜云科技上的高性能計算工作負(fù)載提供了超高性價比。
據(jù)了解，基于Arm架構(gòu)的Graviton3E系列芯片，專為支持高性能計算工作負(fù)載而設(shè)計。相比現(xiàn)有的Graviton系列，有著更高的性能提升，對依賴矢量指令的工作負(fù)載的性能提高了35%。
HPC7g 適用于天氣預(yù)報、生命科學(xué)、工程計算等高性能計算場景，這種新的實例類型有多種大小，最多具有64個 vCPU 和 128GiB 內(nèi)存，這些實例有望在2023年初正式投入商用。
為了適配更多網(wǎng)絡(luò)密集型工作負(fù)載需求，亞馬遜云科技還推出了新的 Graviton 3E 實例類型 C7gn，由Graviton3E 處理器提供支持，可支持200Gbps 網(wǎng)絡(luò)帶寬，并提高50%的數(shù)據(jù)包處理性能。相比于 C7g 實例，C7gn 實例為要求更為嚴(yán)苛的網(wǎng)絡(luò)密集型工作負(fù)載而設(shè)計：包含網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備（防火墻、虛擬路由器、負(fù)載均衡器等）、數(shù)據(jù)分析和緊密耦合的集群計算作業(yè)場景。
此外還有EC2 Hpc6id實例，它基于Amazon Nitro系統(tǒng)構(gòu)建，Hpc6id 實例旨在為數(shù)據(jù)和內(nèi)存密集型HPC工作負(fù)載提供領(lǐng)先的性價比，具有更高的每核內(nèi)存帶寬、更快的本地 SSD 存儲以及帶有彈性結(jié)構(gòu)適配器的增強網(wǎng)絡(luò)。Hpc6id實例提供 200Gbps 彈性結(jié)構(gòu)適配器網(wǎng)絡(luò)，用于高吞吐量節(jié)點間通信，使客戶 HPC 工作負(fù)載能夠大規(guī)模運行。
解決云上HPC的“兩難”問題
工程師、研究人員和科學(xué)家在使用Amazon EC2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化型實例（如 C5n、R5n、M5n 和 C6gn）運行HPC工作負(fù)載，這些實例提供了極致的計算能力和服務(wù)器之間的高網(wǎng)絡(luò)帶寬，以實現(xiàn)數(shù)千個內(nèi)核處理和交換數(shù)據(jù)。
雖然這些實例的性能足以滿足目前大多數(shù)HPC場景，但人工智能和自動駕駛汽車等新興應(yīng)用仍需要HPC優(yōu)化實例，以擴展到數(shù)萬個甚至更多的內(nèi)核，進一步解決難度系數(shù)持續(xù)增加的問題，并降低HPC工作負(fù)載的成本。
針對高性能計算的模擬仿真應(yīng)用場景，亞馬遜云科技在re:Invent2022全球大會還推出了完全托管的計算服務(wù)Amazon SimSpace Weaver，基于亞馬遜云科技的高性能算力，可以幫助用戶構(gòu)建、操作和運行大規(guī)模的空間模擬仿真系統(tǒng)。借助Amazon SimSpace Weaver，用戶可以部署空間模擬應(yīng)用，對具有多個數(shù)據(jù)點的動態(tài)系統(tǒng)進行建模（例如整個城市的交通、場館內(nèi)流動的人群或工廠車間的布局），模擬可視化的物理空間，運行沉浸式的訓(xùn)練模型，獲得不同情景下的關(guān)鍵指標(biāo)并做出明智的決策。
基于Amazon SimSpace Weaver，用戶可模擬出100萬個以上、實時交互的仿真對象，創(chuàng)建比以往更加復(fù)雜的環(huán)境，同時將模擬仿真系統(tǒng)部署的時間從數(shù)年縮短至數(shù)月。
寫在最后
亞馬遜云科技在re:Invent2022全球大會上新發(fā)布的芯片，再一次展示了其自研芯片為不同工作負(fù)載所能帶來的優(yōu)化空間。特別是在HPC領(lǐng)域的重大突破，能夠幫助HPC用戶應(yīng)對不同的工作負(fù)載需求：如計算密集型負(fù)載、計算和網(wǎng)絡(luò)密集型負(fù)載、數(shù)據(jù)和內(nèi)存密集型負(fù)載等。最重要的是，這些實例所能提供超高的性價比，有助于進一步推動HPC的普及，這對于未來的算力規(guī)?；蛢?yōu)化具有重大意義。
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