一種用于編程超級(jí)計(jì)算機(jī)的新的 更加用戶友好的語(yǔ)言

幾十年前，計(jì)算機(jī)成本高昂，復(fù)雜且罕見(jiàn)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)革命改變了這一切，為我們大多數(shù)人提供了更容易訪問(wèn)和更便宜的小工具，更小，更快，更容易使用?？茖W(xué)家們也受益匪淺。他們開發(fā)了計(jì)算機(jī)化技術(shù)來(lái)研究細(xì)胞的內(nèi)部運(yùn)作，繞著遙遠(yuǎn)恒星的行星軌道以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其觀察能力的其他現(xiàn)象。

但對(duì)于處于最前沿的研究人員來(lái)說(shuō)，已經(jīng)出現(xiàn)了一些諷刺：新的和復(fù)雜的儀器開始產(chǎn)生如此多的數(shù)據(jù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試圖分析如此龐大的數(shù)據(jù)集的科學(xué)家們常常難以掌握編程硬件所需軟件的復(fù)雜性。

輸入Regent，一種由斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Alex Aiken領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)的新編程語(yǔ)言。除此之外，Regent使超級(jí)計(jì)算機(jī)更易于使用。“我們希望創(chuàng)建一個(gè)不需要每個(gè)研究人員成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家的編程環(huán)境，”阿爾卡特朗訊通信和網(wǎng)絡(luò)教授Aiken說(shuō)。

Regent幫助解決了超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一：今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)比以往任何時(shí)候都復(fù)雜得多，現(xiàn)有的編程語(yǔ)言一直在努力跟上步伐。超級(jí)計(jì)算機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)在大眾想象中，成為一臺(tái)巨型機(jī)器，但它實(shí)際上是由數(shù)千個(gè)微處理器組成的陣列?？茖W(xué)家通常使用C ++對(duì)這些陣列進(jìn)行編程，C ++是大約40年前發(fā)明的一種軟件語(yǔ)言 - 在計(jì)算機(jī)科學(xué)時(shí)代就是這樣。當(dāng)時(shí)，主要的微處理器是處理單元，即CPU，即推動(dòng)PC革命的芯片。CPU可以快速解決大問(wèn)題，一個(gè)接一個(gè)地計(jì)算，程序員稱之為串行方式。

然而，最近，第二種類型的微處理器對(duì)于超級(jí)計(jì)算變得重要：圖形處理單元或GPU。首先用于控制計(jì)算機(jī)屏幕上的數(shù)百萬(wàn)像素以改善視頻游戲的視覺(jué)效果，GPU可以同時(shí)或并行地執(zhí)行許多類似的計(jì)算，正如程序員所說(shuō)的那樣。事實(shí)證明，并行處理在機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用中非常有用。C ++已經(jīng)升級(jí)，以跟上這些和其他硬件的變化。不幸的是，補(bǔ)丁的增加使語(yǔ)言越來(lái)越難以使用。但是，Regent使超級(jí)計(jì)算機(jī)程序員更容易做一些事情，比如將串行處理任務(wù)分配給CPU，并將并行處理任務(wù)分配給GPU。

一旦Regent在概念層面上構(gòu)建了程序，程序員的意圖就會(huì)被翻譯 - 或者，使用技術(shù)術(shù)語(yǔ)，編譯成第二個(gè)名為L(zhǎng)egion的軟件層，Aiken也開發(fā)了這個(gè)層。Legion生成機(jī)器代碼 - 精確指令，指導(dǎo)超級(jí)計(jì)算機(jī)的硬件如何執(zhí)行程序。Regent和Legion之間的緊密集成使程序員更容易做出其他重要決定; 值得注意的是，存儲(chǔ)超級(jí)計(jì)算機(jī)必須分析的數(shù)據(jù)的位置。

Elliott Slaughter是SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，他幾乎從一開始就在Regent和Legion工作過(guò)，他表示兩層之間的整合可以節(jié)省程序員的金錢和時(shí)間。計(jì)算機(jī)消耗能源，這需要成本。但是，移動(dòng)數(shù)據(jù)的能源成本可能是對(duì)該數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算的成本的100倍。此外，大型實(shí)驗(yàn)通常依賴于收集大量數(shù)據(jù)的儀器。Slaughter表示，一些儀器可以每秒收集相當(dāng)于20個(gè)視頻DVD的數(shù)據(jù)，用于持續(xù)15分鐘的實(shí)驗(yàn)。即使以光速在光纖上移動(dòng)，從儀器到超級(jí)計(jì)算機(jī)獲取大量數(shù)據(jù)也可能產(chǎn)生滯后，這可能會(huì)破壞分析。“你把數(shù)據(jù)放在哪里是最多的程序員做出的重要決定，“Slaughter說(shuō).Regent和Legion通過(guò)讓程序員在等待計(jì)算時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置進(jìn)行前所未有的控制來(lái)節(jié)省金錢和時(shí)間。

麗晶會(huì)變得普遍嗎?研究人員表示，新語(yǔ)言必須克服大量的慣性。“攝政是一種非常不同的編程方式，”艾肯說(shuō)。“研究人員需要一段時(shí)間才能采用所需的思維模式。”

但有兩個(gè)因素對(duì)它有利。首先，超級(jí)計(jì)算硬件繼續(xù)改進(jìn)。能源部正在通過(guò)其Exascale計(jì)算項(xiàng)目推動(dòng)開發(fā)，該計(jì)劃旨在實(shí)現(xiàn)2021年左右的超級(jí)計(jì)算能力增加50倍。能源部正在支持軟件項(xiàng)目，包括Regent，以幫助編程保持同步。

此外，許多想要使用超級(jí)計(jì)算機(jī)的科學(xué)家不熟悉當(dāng)前的工具，并對(duì)編寫大型實(shí)驗(yàn)所需的陡峭學(xué)習(xí)曲線持懷疑態(tài)度。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的超級(jí)計(jì)算機(jī)程序員也可能會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)很麻煩，并想知道是否有更好的方法。艾肯說(shuō)：“我們經(jīng)常與那些意識(shí)到麗晶為他們生活更輕松的科學(xué)家交談。”