2021年圖靈獎獲得者Jack Dongarra：高性能計算為各行各業帶來新機會，中國高性能計算市場充滿活力
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。
美國計算機協會稱，杰克?唐加拉通過對線性代數運算的高效數值算法、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新。
南方財經：目前高性能計算領域面臨哪些挑戰，研究人員設想在未來幾年如何應對這些挑戰？
Jack Dongarra：在高性能計算方面，我們面臨著許多挑戰。其中最大的挑戰可能就是能效。隨著高性能計算系統的功能越來越強大，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境影響至關重要。因此，研究人員將重點放在開發節能硬件、優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所需數據的增長，我們確實必須考慮到這些系統的可擴展性。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。就數據移動性能而言，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內存之間的差距。
正如我剛才提到的，隨著數據密集型應用的增長，數據在處理器和存儲之間的移動是存儲領域的一大挑戰。我們已經在高性能系統中采用異相架構，其中包含CPU、GPU、FPGA和人工智能加速器，優化軟件以高效運行是我們面臨的主要挑戰。我們必須努力開發工具和編程模型，以便有效應對這一挑戰。
韌性是我們必須考慮的另一個問題。大規模、高性能的系統很容易出現硬件故障，我們必須以某種方式確保系統的恢復能力，以便應用程序能夠真正完成運行。如今，數據分析集成愈發重要，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和維護一個端口極具挑戰性。
最后，或許將人工智能和機器學習集成是我們現在工作的重要部分。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。從科學研究和發現的角度來看，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，模擬復雜的現象。這導致了許多領域的突破。從藥物發現、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、航天器和軍事系統的設計和模擬至關重要。它縮短了開發時間，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勢。汽車、航空航天和制造等行業使用高性能計算機對產品和制造流程進行模擬和優化。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，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、優化能源分配和開發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化，金融和銀行業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、藥物發現、個性化醫療、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。汽車和運輸行業在設計方面確實是一個系統，而高性能計算在優化運輸物流和管理自動駕駛車輛方面為少數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，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造新的就業機會？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，但這也是創造就業機會的重要機遇。因此，高性能計算是一個涉及多學科的領域，它能為各行各業創造新的就業機會。我們需要高性能系統的系統管理員。有些系統非常復雜，需要技術熟練的人員來管理這些應用開發。因此，我們需要經驗豐富、能夠優化高性能計算環境中并行應用程序使用的軟件開發人員。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，科學和數據科學以及分析是一個很大的領域，與數據科學和分析密切相關。我們需要具備處理海量數據資產、機器學習和數據可視化技能的人才。
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免遭網絡盜竊并確保數據隱私的專家。研究開發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新技術方面發揮關鍵作用。此外，我們還需要云計算、混合系統等方面的人才，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、數據科學家和應用程序開發人員，那么ChatGPT等技術創新將如何影響藍領工人？
Jack Dongarra：我想說的是，我們需要繼續培訓、學習，跟上高性能計算技術的最新發展。這些人、藍領工人需要在某種意義上適應他們的技能，以適用于網絡協作方面即將出現的新浪潮，這對于在這個充滿活力、快速發展的領域實現職業發展至關重要。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，他們曾幫助開發技術，而這些技術將快速到位，進一步推動計算技術的發展。
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展？
Jack Dongarra：中國參與高性能計算已有多年。從高性能計算的發展來看，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量在500強中占據了主導地位。
因此，中國在組織高性能計算方面發展非常迅速。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新和經濟發展方面的重要性。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，也是對我職業生涯的認可。圖靈獎是由計算機協會頒發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出來的學生。在我的職業生涯中，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美國算法，并將其轉化為軟件。因此，我們開發了軟件，然后供社區、全球社區使用，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。它們能讓社區了解高性能計算的發展情況。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，它沒有商業投入，也不會受到商業方面的影響，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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