為了滿足更先進(jìn)的科研需求，全球各地的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都在致力于重新設(shè)計(jì)代碼和算法。英國(guó)的面向 E 級(jí)計(jì)算算法和基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化的 ExCALIBUR (the Exascale Computing ALgorithms and Infrastructures Benefiting UK Research) 項(xiàng)目就是這樣一個(gè)致力于為英國(guó)最重要的研究領(lǐng)域提供新一代高性能模擬軟件的科研項(xiàng)目。這些領(lǐng)域涉及到計(jì)算高度密集型的應(yīng)用，例如模擬整個(gè)宇宙的演變、了解地震波和引力波、評(píng)估海嘯以及對(duì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模等。

新型計(jì)算方案的出現(xiàn)，包括智能且可編程的互連解決方案如 DPU（數(shù)據(jù)處理器）等，為研究人員在新的高性能計(jì)算系統(tǒng)上提供了空前的創(chuàng)新空間。NVIDIA BlueField DPU 集強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算引擎、高速網(wǎng)絡(luò)和豐富的可編程性于一體，為最苛刻的應(yīng)用提供了軟件定義、硬件加速的解決方案。

擁有分布在劍橋大學(xué)、萊斯特大學(xué)、杜倫大學(xué)和愛(ài)丁堡大學(xué)這四所大學(xué)的計(jì)算資源的 DiRAC（Distributed Research utilising Advanced Computing）正在參與ExCALIBUR 項(xiàng)目，正在以全新的方式利用 BlueField DPU 豐富的可編程能力助力科學(xué)突破。

例如杜倫大學(xué)的計(jì)算宇宙學(xué)院和計(jì)算機(jī)科學(xué)系，他們正在對(duì)地震波和引力波的傳播進(jìn)行大規(guī)模模擬，該模擬使用動(dòng)態(tài)笛卡爾網(wǎng)格和 ExaHyPE 代碼將大部分的計(jì)算轉(zhuǎn)化為多任務(wù)操作。

在過(guò)去幾年中，他們付出了大量的精力來(lái)標(biāo)記和識(shí)別那些需要與其它網(wǎng)格發(fā)生變化的節(jié)點(diǎn)或任務(wù)同步的關(guān)鍵任務(wù)。由于存在大量的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，保證整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載平衡的工作量將會(huì)很大。即使達(dá)到最佳負(fù)載平衡后，一旦域內(nèi)任何參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)立刻就會(huì)隨之變得不平衡，要想再次達(dá)到最佳負(fù)載平衡會(huì)非常困難并且會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間或成本。

為了提升系統(tǒng)的應(yīng)變能力，研究人員必須將輕量任務(wù)和閑置任務(wù)轉(zhuǎn)移到其它資源上，但是，編排就會(huì)變得十分困難，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié) MPI 運(yùn)行時(shí)來(lái)確保在正確的時(shí)間用正確的步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，也會(huì)搶占計(jì)算資源。

憑借 BlueField DPU 計(jì)算核，杜倫大學(xué)可以使用 DPU 作為 MPI 處理引擎來(lái)節(jié)省計(jì)算資源，例如觀察和引導(dǎo)任務(wù)，以及及時(shí)緩存/接受任務(wù)等。這項(xiàng)工作延伸了 ExaHyPE 組織內(nèi)部的研究合作，尤其是 TUM 的 Michael Bader 小組，對(duì)于以 CPU 核心的計(jì)算任務(wù)提出來(lái)一個(gè)全新的觀點(diǎn)，即開(kāi)始由智能網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)起數(shù)據(jù)處理工作。

倫敦大學(xué)學(xué)院的研究生 James Legg 正在使用 BlueField DPU 通過(guò)使用基于任務(wù)的調(diào)度機(jī)制來(lái)加速計(jì)算代碼。James 的研究方向就是使用 BlueField DPU，尤其是其 Arm 處理器子系統(tǒng)來(lái)作為任務(wù)調(diào)度器，由主機(jī)處理器來(lái)運(yùn)行計(jì)算任務(wù)或內(nèi)核。這顛覆了傳統(tǒng)的加速卡運(yùn)行在內(nèi)核，由主機(jī)來(lái)管理所有任務(wù)的認(rèn)知。以前，當(dāng)調(diào)度器和內(nèi)核都在主機(jī)上運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)強(qiáng)奪處理器資源，使得調(diào)度器的設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單。在 BlueField DPU 上，調(diào)度器可以輕松擁有幾個(gè)專用線程，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度處理和與主機(jī)運(yùn)行內(nèi)核的并行化，并可以執(zhí)行更復(fù)雜的調(diào)度操作。另外一項(xiàng)研究是如何在主機(jī)處理器完全不參與的情況下，利用 BlueField DPU 上的調(diào)度器在任意主機(jī) RAM 之間移動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)。

CSD3 (Cambridge Service for Data Driven Discovery)是英國(guó)國(guó)家研究云，同時(shí)也是世界上性能最強(qiáng)大的科研云原生超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。CSD3 通過(guò) BlueField DPU 來(lái)卸載主機(jī)上的安全策略和存儲(chǔ)框架等基礎(chǔ)設(shè)施管理操作，同時(shí)提供了應(yīng)用的加速與隔離，以此實(shí)現(xiàn)了 I/O 性能的最大化。這既實(shí)現(xiàn)了安全性又得到了裸金屬性能，使研究人員能夠以全新的方式進(jìn)行研究。

以上只是研究人員如何利用 DPU 性能和可編程性來(lái)探索創(chuàng)新的一部分。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化編程，加速創(chuàng)新，NVIDIA 推出了 DOCA SDK，使基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)人員能夠使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 API，在 BlueField DPU 上快速創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全、管理以及 AI 和高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用和服務(wù)。憑借 DOCA，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)創(chuàng)建高性能、軟件定義和云原生的 DPU 加速服務(wù)，對(duì)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行編程。現(xiàn)在，開(kāi)發(fā)人員即可通過(guò)注冊(cè)提前體驗(yàn)。

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