[论文解读] Eurolab-4-HPC Long-Term Vision on High-Performance Computing

Theo Ungerer, Paul Carpenter|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2018

Scientific Computing and Data Management参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文通过欧陆实验室-4-HPC（Eurolab-4-HPC）倡议，为欧洲高性能计算（HPC）提出了一个长期愿景，提出了面向3D芯片堆叠、光子学、量子计算、神经形态系统以及能效架构等新兴技术的战略路线图。该研究整合了欧洲领先研究人员的洞见，以指导未来HPC的创新，重点关注可持续性、弹性以及跨多样化新兴计算范式的软硬件协同设计。

ABSTRACT

Radical changes in computing are foreseen for the next decade. The US IEEE society wants to "reboot computing" and the HiPEAC Vision 2017 sees the time to "re-invent computing", both by challenging its basic assumptions. This document presents the "EuroLab-4-HPC Long-Term Vision on High-Performance Computing" of August 2017, a road mapping effort within the EC CSA1 Eurolab-4-HPC that targets potential changes in hardware, software, and applications in High-Performance Computing (HPC). The objective of the Eurolab-4-HPC vision is to provide a long-term roadmap from 2023 to 2030 for High-Performance Computing (HPC). Because of the long-term perspective and its speculative nature, the authors started with an assessment of future computing technologies that could influence HPC hardware and software. The proposal on research topics is derived from the report and discussions within the road mapping expert group. We prefer the term "vision" over "roadmap", firstly because timings are hard to predict given the long-term perspective, and secondly because EuroLab-4-HPC will have no direct control over the realization of its vision.

研究动机与目标

• 为欧洲高性能计算的未来发展制定一项战略性、长期性的愿景，协调新兴技术领域的研究与创新。
• 识别并优先考虑关键技术路径，如3D芯片堆叠、光子学、量子计算和神经形态系统，以塑造下一代HPC系统。
• 应对能源效率、系统弹性以及软硬件协同设计等关键挑战，确保HPC的可持续演进。
• 通过协调路线图以及来自研讨会和专家意见的反馈，促进欧洲机构和研究社区之间的合作。
• 通过整合专家见解形成统一愿景，为2030年以后的政策和资金决策提供指导。

提出的方法

• 该愿景通过来自20多个欧洲领先研究人员和机构在不同HPC技术领域中的协作努力而形成。
• 贡献者就包括芯片堆叠、3D芯片、光子学、量子计算和阻变计算、忆阻器以及纳米材料在内的特定技术提供了专家意见。
• 该过程包括由HiPEAC和EXDCI主办的结构化路线图研讨会，并整合了工作组和技术专家的反馈。
• 从多个机构和研究领域的贡献中，综合整理了技术、系统级以及可持续性挑战的全面分析。
• 最终文件由奥格斯堡大学的研究人员汇编并编辑，将多样化视角整合为统一的战略愿景。
• 该成果以预印本形式发布在arXiv上，以确保广泛传播并获取社区反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些最具前景的新兴技术将决定欧洲高性能计算的未来？
• RQ2 3D芯片堆叠和先进封装技术如何提升HPC系统的性能和能效？
• RQ3 光子学、神经形态计算和量子计算在突破传统HPC架构现有局限方面将发挥何种作用？
• RQ4 如何将软硬件协同设计和弹性策略整合到下一代HPC系统中？
• RQ5 为确保欧洲范围内HPC创新的可持续性和协调性，需要哪些系统性与协作性方法？

主要发现

• 3D芯片堆叠和芯片级堆叠技术被确定为未来HPC系统中提升性能并降低功耗的关键推动因素。
• 光子学被视为互连技术的变革性突破，其带宽更高且每比特能耗低于传统电互连。
• 量子计算和阻变计算被视为具有潜力解决经典计算能力之外特定类HPC工作负载的新兴范式。
• 神经形态计算和内存内计算方法被定位为处理数据密集型和AI驱动工作负载的节能、低延迟处理的关键解决方案。
• 忆阻器以及石墨烯和金刚石晶体管等新型纳米材料在下一代非易失性与低功耗计算组件中展现出巨大潜力。
• 对绿色ICT、系统弹性以及硬件影响的高度重视贯穿全文，多位贡献者从HPC栈的各个层面探讨了可持续性和可靠性问题。