雲端高效能計算崛起，亞馬遜雲科技再為人先

Hyperion Research

的最新調查顯示，

2021

年全球

HPC

的整體支出（包括本地、雲和人工智慧）達到了

348

億美元，並有望在

2022

年達到

400

億美元，預計到

2026

年可以達到

500

億美元的規模。而市場增長的亮點來自於雲端

HPC

的旺盛需求，

HPC

與雲的深度融合正在提速。而作為雲計算龍頭的亞馬遜雲科技，其日前舉辦的

re：Invent 2022

上的系列舉措，則更預示著雲端高效能計算時代的到來。

HPC

發展迅速，雲端HPC

崛起

眾所周知，高效能計算（簡稱

HPC

）是科學家、工程師和研究人員手中用來完成龐大複雜的計算密集型任務的利器，在天氣預報、石油和天然氣勘探、物理學、量子力學和其它科學領域，到處都能看到執行著的

HPC

任務，典型的任務包括：製造數字孿生、計算機輔助工程、計算流體動力學；金融交易平臺、風險建模；媒體視覺效果渲染；跨行業

AI

、機器學習、深度學習；醫學研究、藥物發現、基因組學、氣候變化；生命科學、分析原子或分子中的物理運動，執行核苷酸和基因組測序。

據

TrendForce

預測，

2021

年全球

HPC

市場規模達約

368

億美元，相較

2020

年增長

7。1

％，並預估

2022

年全球

HPC

市場規模有望達

397

億美元，年增長率為

7。3%

。此外，

HPC

市場規模將在

2027

年前持續增長，並且

2022

年的增長率為近幾年最高水平

7。3

％。

然而，隨著雲計算被企業廣泛採用，業內發現近年來高效能計算的發展與以往有所不同。那就是雲端高效能計算的崛起。

據

Hyperion Research

的市場調研資料顯示，

2022

年底將有

18。8%

的

HPC

在雲端執行，而這個資料在

2021

年只有

12。3%

。而來自

Market Research Future

的報告也表明，雲端高效能計算在未來五年會保持

21%

的年複合增長率，

2023

年的市場規模將達

220

億美元。

對此，專家預測該資料在未來幾年還將呈現加速增長的態勢，因為雲可以賦予

HPC

豐富的“彈性”和更多、更廣的選擇能力，包括資源的擴充套件性、敏捷性等，還可以大幅降低運維的複雜度，使計價模式更靈活。

欲善其事先利其器：打造最佳HPC

雲平臺，架構與晶片創新是關鍵

說到雲端

HPC

，目前在全球高效能計算轉向雲平臺的過程中，約有

58%

的高效能計算雲端計算量處於亞馬遜雲科技平臺上。與此同時，亞馬遜雲科技在高效能計算領域屢創佳績，連續四年入選

HPC

連線雜誌“最佳

HPC

雲平臺”，並在

2021 CCF

年會上獲得高效能計算例項產品創新大獎。

所謂工欲善其事必先利其器，亞馬遜雲科技何以打造出最佳

HPC

雲平臺？這就不得不提及

Amazon Nitro

。

眾所周知，

Amazon Nitro

是亞馬遜雲科技基礎架構的核心，從

2013

年發展

Amazon Nitro

系統，至今已經接近十年的時間。

作為獨立專業硬體系統，

Amazon Nitro

深植在每一套物理機裡面控制網路、儲存，以及其他系統，結合其他

VPC

的環境、管理、安全的控制，以及監控的系統、虛擬化層，最終將計算力交付給客戶。

具體表現在所有跟虛擬化有關的工作全部由

Amazon Nitro

系統完成，不再佔用伺服器裡面的

CPU

記憶體本身的資源，意味著釋放

CPU

記憶體，交付真正的工作負載，而在傳統的資料中心環境裡面自己搭建機器虛擬化的系統，可能虛擬化這一層會佔整個算力

20%

，甚至更多的開銷，這是非常大的浪費。相比之下，從底層技術上

Amazon Nitro

會讓虛擬化的開銷控制在

1%

以內，幾乎和完整的物理機給你的功能是一樣的，但是賦予了雲的管理能力、雲的安全能力等等。

Amazon Nitro

在效能上能夠把最新的硬體技術充分地發揮出來，運用到高效能計算實際的案例中。

此外，網路能力透過

Amazon Nitro

可以實現非常低的延時和很高的穩定性，同時優化了成本，

Amazon Nitro

是模組化的系統，可以獨立發展，每一個模組可以自由演進，也可以和物理伺服器脫離開來，這樣一個靈活的機構加上非常緊密的配合，可以與時俱進地跟上所有硬體的需要，新的硬體的推出

Amazon Nitro

會給它新的能力，

Amazon Nitro

的發展也會給硬體帶來能力進一步的提升，兩者相輔相成。

在我們看來，

Amazon Nitro

幾乎是業內最早開始嘗試將硬體虛擬化、雲計算專用晶片整合而成一個統一架構平臺的產品嚐試，背後的核心的動力源於亞馬遜雲科技對雲計算本身的理解，即：彈性、安全、效能、成本、可用性及可持續性，這也是亞馬遜雲科技在雲計算領域的建設理念。在

Amazon Nitro

出現前，無論何種虛擬化方案，都無法將大部分資源用於客戶的計算服務，也無法降低服務採用門檻，

Amazon Nitro

實現了近乎裸機的效能是一種事實上的突破。另外，雲計算的安全問題自虛擬化技術誕生之初就伴隨出現，

Amazon Nitro

則把安全性推到一個新的高度。

簡而言之，

Amazon Nitro

很好地化解了此前在雲端獲取高效能計算時使用者所面臨的管理、能效及安全的挑戰，加速了雲端高效能計算的落地。

目前亞馬遜雲科技已經在

Amazon Nitro

系統的加持下，有超過

600

款計算例項，幾乎可以滿足一切雲上負載的需求。如今每天有超過

6000

萬個新的

Amazon EC2

例項在亞馬遜雲科技上被建立。

需要說明的是，自

2013

年推出

Amazon Nitro

系統以來，亞馬遜雲科技還開發了多個自研晶片，包括五代

Amazon Nitro

系統、致力於為各種工作負載提升效能和最佳化成本的三代

Amazon Graviton

晶片、用於加速機器學習推理的兩代

Amazon Inferentia

晶片，以及用於加速機器學習訓練的

Amazon Trainium

晶片。

而每推出一款新的晶片，亞馬遜雲科技都進一步提升了這些晶片支援的

Amazon EC2

例項的效能、效率以及更最佳化的成本，為客戶提供了更多的晶片和例項組合選擇。

就像亞馬遜雲科技

Amazon EC2

副總裁

David Brown

所言：“從

Graviton

到

Trainium

、

Inferentia

再到

Nitro

，亞馬遜雲科技每一代自研晶片都為客戶的各種工作負載提供更高的效能、更最佳化的成本和更高的能效。

當然，除了上述架構及晶片的創新外，面向行業需求與使用者痛點，具備大量高度產業指向的軟硬體構成的

HPC

生態也是亞馬遜雲科技在雲端高效能計算領先不可或缺的因素。

一切剛剛開始：re:Invent 2022

，雲端高效能計算創新不止

儘管在雲端高效能計算已經處在領先的位置，但對於亞馬遜雲科技而言，一切剛剛開始。

日前召開的

re：Invent 2022

大會上，亞馬遜雲科技正式推出了針對高效能計算最佳化的

Amazon Graviton3E

晶片，進一步優化了浮點運算效能，在

HPL

基線測試中，工作負載的效能提升

35%

，對比上一代耗能減少

60%

。

與此同時，亞馬遜雲科技還發布了第五代

Nitro

系統，相比於前一代產品，電晶體數量比前一代增加了一倍，提供更高的計算效能，同時

DRAM

記憶體效能提升了一半，

PCle

頻寬提升兩倍，降低約三成延遲，每瓦效能提高四成，網路轉發效能提高六成。

基於上述新發布的晶片和系統，亞馬遜雲科技推出了面向不同工作負載的全新高效能計算例項，以幫助高效能計算客戶更好地應對不同的工作負載，如計算密集型負載、計算和網路密集型負載、資料和記憶體密集型負載等，同時提供超高的價效比，進一步推動高效能計算的普及。

例如

Amazon EC2 Hpc7g

例項就採用了新發布的

Graviton3E

晶片，提供了更多的網路功能，擁有更高的記憶體頻寬和

200Gbps

的

EFA

彈性結構介面卡網路，效能方面與當前一代

C6gn

例項相比浮點效能提高了

2

倍，與當前一代

Hpc6a

例項相比效能提高了

20%

，為亞馬遜雲科技上的高效能計算工作負載提供了超高性價比。

而

Amazon EC2 Hpc6id

例項則是基於

Amazon Nitro

系統構建，旨在為資料和記憶體密集型

HPC

工作負載提供領先的價效比，具有更高的每核記憶體頻寬、更快的本地

SSD

儲存以及帶有彈性結構介面卡的增強網路。

Hpc6id

例項提供

200Gbps

彈性結構介面卡網路，用於高吞吐量節點間通訊，使客戶

HPC

工作負載能夠大規模執行。

Amazon Hpc6a

例項則是此前推出的計算密集型例項，廣泛用於天氣預報、流體動力學計算、金融期權定價等領域，與基於

X86

架構的例項相比，它的價效比高出

65%

。

眾所周知，模擬模擬是高效能計算的一大應用場景，為此，亞馬遜雲科技在

re：Invent2022

全球大會還推出了完全託管的計算服務

Amazon SimSpace Weaver

，基於亞馬遜雲科技的高效能算力，幫助客戶構建、操作和執行大規模的空間模擬模擬系統。

藉助

Amazon SimSpace Weaver

，客戶可以部署空間模擬應用，對具有多個數據點的動態系統進行建模（例如整個城市的交通、場館內流動的人群或工廠車間的佈局），模擬視覺化的物理空間，執行沉浸式的訓練模型，獲得不同情景下的關鍵指標並做出明智的決策。客戶使用

Amazon SimSpace Weaver

可模擬出

100

萬個以上、實時互動的模擬物件，建立比以往更加複雜的環境，並且將模擬模擬系統部署的時間從數年縮短至數月。

直到今天，空間模擬通常僅限於在單個硬體上執行。如果開發人員想模擬一個包含大量獨立且動態實體的更大、更復雜的世界，他們需要配置一臺更大的計算機。模擬開發人員被迫在規模和保真度之間做出權衡，換句話說，就是要確定世界有多大、有多少獨立實體，亞馬遜雲科技突破了這個挑戰。

寫在最後：

從天氣建模到基因組作圖，再到搜尋地球外的空間資訊，

HPC

（高效能計算）如今已遍佈多個行業正在幫助推動先進計算技術的發展，現在雲計算已經可以全面支援

HPC

計算並推動

HPC

在各行各業的落地。

值得注意的是，隨著硬體技術的創新，以及人工智慧的迅猛發展，亞馬遜雲科技發現越來越多的

HPC

任務和

AI

、

ML

、

DL

相結合。這就要求為客戶提供相對應的方案，也由此催生出

HPC+

的概念——從更廣泛的維度，包括加速計算、機器學習、深度學習等多方面去設計服務和構建方案，即一個全新的

HPC+

的雲端高效能計算時代已經到來，而亞馬遜雲科技無疑再次站在了潮頭。