一種用于編程超級計算機(jī)的新的 更加用戶友好的語言

幾十年前，計算機(jī)成本高昂，復(fù)雜且罕見。

個人計算機(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)了計算機(jī)化技術(shù)來研究細(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。

但對于處于最前沿的研究人員來說，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)，超級計算機(jī)需要分析實驗結(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)計算機(jī)科學(xué)家Alex Aiken領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)的新編程語言。除此之外，Regent使超級計算機(jī)更易于使用。“我們希望創(chuàng)建一個不需要每個研究人員成為計算機(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。

Regent幫助解決了超級計算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一：今天的超級計算機(jī)比以往任何時候都復(fù)雜得多，現(xiàn)有的編程語言一直在努力跟上步伐。超級計算機(jī)可能會出現(xiàn)在大眾想象中，成為一臺巨型機(jī)器，但它實際上是由數(shù)千個微處理器組成的陣列?？茖W(xué)家通常使用C ++對這些陣列進(jìn)行編程，C ++是大約40年前發(fā)明的一種軟件語言 - 在計算機(jī)科學(xué)時代就是這樣。當(dāng)時，主要的微處理器是處理單元，即CPU，即推動PC革命的芯片。CPU可以快速解決大問題，一個接一個地計算，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于超級計算變得重要：圖形處理單元或GPU。首先用于控制計算機(jī)屏幕上的數(shù)百萬像素以改善視頻游戲的視覺效果，GPU可以同時或并行地執(zhí)行許多類似的計算，正如程序員所說的那樣。事實證明，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，以跟上這些和其他硬件的變化。不幸的是，補(bǔ)丁的增加使語言越來越難以使用。但是，Regent使超級計算機(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，程序員的意圖就會被翻譯 - 或者，使用技術(shù)術(shù)語，編譯成第二個名為Legion的軟件層，Aiken也開發(fā)了這個層。Legion生成機(jī)器代碼 - 精確指令，指導(dǎo)超級計算機(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，存儲超級計算機(jī)必須分析的數(shù)據(jù)的位置。

Elliott Slaughter是SLAC加速器實驗室的科學(xué)家，他幾乎從一開始就在Regent和Legion工作過，他表示兩層之間的整合可以節(jié)省程序員的金錢和時間。計算機(jī)消耗能源，這需要成本。但是，移動數(shù)據(jù)的能源成本可能是對該數(shù)據(jù)執(zhí)行計算的成本的100倍。此外，大型實驗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個視頻DVD的數(shù)據(jù)，用于持續(xù)15分鐘的實驗。即使以光速在光纖上移動，從儀器到超級計算機(jī)獲取大量數(shù)據(jù)也可能產(chǎn)生滯后，這可能會破壞分析。“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.Regent和Legion通過讓程序員在等待計算時對數(shù)據(jù)存儲位置進(jìn)行前所未有的控制來節(jié)省金錢和時間。

麗晶會變得普遍嗎?研究人員表示，新語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。“研究人員需要一段時間才能采用所需的思維模式。”

但有兩個因素對它有利。首先，超級計算硬件繼續(xù)改進(jìn)。能源部正在通過其Exascale計算項目推動開發(fā)，該計劃旨在實現(xiàn)2021年左右的超級計算能力增加50倍。能源部正在支持軟件項目，包括Regent，以幫助編程保持同步。

此外，許多想要使用超級計算機(jī)的科學(xué)家不熟悉當(dāng)前的工具，并對編寫大型實驗所需的陡峭學(xué)習(xí)曲線持懷疑態(tài)度。即使是經(jīng)驗豐富的超級計算機(jī)程序員也可能會發(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：“我們經(jīng)常與那些意識到麗晶為他們生活更輕松的科學(xué)家交談。”