一个隐秘的真相正在高性能计算(HPC)领域悄然浮现,它颠覆了我们对科技进步的传统认知。曾经,HPC是科学研究的专属领地,依赖于不断提升的硬件性能。但现在,人工智能(AI)的崛起正在将HPC推向一个前所未有的变革前沿。这场变革不仅仅是技术的更迭,更是一场关于效率、可持续性和人类智慧边界的深刻探索。
AI正以前所未有的速度重塑HPC的面貌。它不再仅仅是HPC的“消费者”,更成为了HPC的“赋能者”,催生了AI增强HPC(AI-augmented HPC)这一新的范式。这场转变体现在多个方面,并且正在以令人惊叹的速度影响着整个行业。
首先,AI模型正在以前所未有的方式加速科学发现。大型语言模型(LLM)等AI模型,可以通过对现有模拟数据进行训练,生成“数据模型”,从而以远低于传统数学模型求解所需的时间,准确地解决复杂问题。试想一下,原本需要数周甚至数月才能完成的数据处理和分析,现在可以在短时间内完成。这种效率的提升不仅仅是时间的节省,更是科学探索的加速。例如,在天气模拟中,AI可以利用过去几年的数据,快速预测未来天气状况,而无需等待传统的计算模型完成复杂的运算。这些“合成”HPC训练数据往往已经存在,降低了数据收集的成本和时间,使得科研人员能够将更多精力放在解决问题本身。这意味着科学家能够更快地验证假设、探索新的研究方向,从而推动科学领域的快速发展。
其次,AI正在革新HPC软件的开发模式。HPC软件作为高度专业化的科学领域,开发复杂、周期长、且对专业知识要求极高。而AI,特别是LLM,正在革新软件开发的各个方面,为HPC软件的开发注入了新的活力。通过利用AI技术,可以自动化代码生成、优化性能,并检测潜在的错误。这不仅可以提高开发效率,减少错误,还可以降低开发成本,使得更多科研人员能够参与到HPC软件的开发中。例如,AI可以根据用户的需求自动生成代码,或者根据代码的性能提出优化建议。这种技术不仅能够提高开发效率,还能确保HPC软件的质量,从而进一步提升科学研究的效率。
再次,新的超级计算机正在应运而生,以满足AI时代的需求。在LUMI系统之后,将紧随其后的是一个专注于AI的超级计算机LUMI-AI,其采购过程已经启动。LUMI-AI将利用下一代GPU构建一个大型加速分区,以满足AI工作负载的需求。这意味着,未来的超级计算机将不再仅仅是追求原始计算能力,而是更加注重AI加速能力和整体性能的平衡。这种转变预示着HPC领域的新趋势:将AI融入硬件设计,从而实现更高效、更节能的计算。AMD的CTO Mark Papermaster和橡树岭国家计算科学中心的技术主管Scott Atchley在ISC2025大会上强调了HPC-AI技术对科学进步的巨大推动作用,同时也提醒人们关注支持这些技术所需的能源消耗问题。
然而,尽管AI-augmented HPC带来了巨大的机遇,但也伴随着挑战。AI的指数级增长对能源需求提出了更高的要求,对能源系统产生了潜在的影响。与此同时,AI在HPC中的应用也需要考虑可持续性、可扩展性和精度等问题。传统的经典模拟对精度要求较高,而AI模型则可能对精度要求相对较低,这需要在实际应用中进行权衡。此外,如何确保AI驱动的HPC软件的可靠性和可信度,也是一个重要的研究课题。这些挑战需要科研人员和行业共同努力,寻找解决方案。
幸运的是,市场正在积极回应这一变化。Hyperion Research的报告显示,HPC/AI市场在2024年增长了36.7%,这充分证明了AI对HPC领域的影响力。生成式AI(GenAI)的出现更是为创新提供了新的动力,其在国家安全和更广泛的AI领域都具有重要意义。IBM Cloud® HPC也正在利用混合云的优势,为组织提供所需的计算能力,以应对GenAI带来的挑战。NTT Research正在推进量子增强的计算内存(CIMs)的研究,旨在提高AI模型的效率和性能。同时,研究人员也在探索如何利用AI来构建自主HPC系统和代理AI,从而实现HPC资源的自动化管理和优化。这种“闭环”模式——HPC为AI服务,AI反过来又为HPC赋能——预示着HPC领域将迎来一个效率、可扩展性和可持续性显著提升的新时代。
总而言之,AI与HPC的融合正在重塑科学计算的未来。AI增强HPC不仅能够加速科学发现,提高计算效率,还能够推动HPC软件的创新和发展。虽然面临着能源消耗、可持续性和可靠性等挑战,但随着技术的不断进步和研究的深入,AI与HPC的协同效应将得到进一步释放,为人类社会带来更大的价值。这种转变不仅仅是技术层面的,更是一种思维方式的转变,从传统的“AI versus HPC”的竞争关系,转变为“AI as a new technique for HPC”的合作共赢关系。这是一场激动人心的变革,它预示着科学研究的新纪元,人类探索未知世界的脚步将因此更加坚定、更加高效。
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