半导体行业的新技术可能会扼杀美国下一代高性能计算机的发展

美国国家研究委员会的一份新报告警告说，半导体行业的技术和经济变化可能会扼杀美国下一代高性能计算机的发展。

随着摩尔定律和晶体管规模的缩小，业界正在转向不适用于大规模模拟中使用的超级计算的芯片设计。该报告侧重于国防在核武器物理建模方面的应用，但这些变化也会影响模拟，包括用于气候建模和天气预报的模拟。

报告警告说，负责美国核储备的国家核安全管理局“需要从根本上重新考虑其先进的计算研究、工程、采购、部署和合作战略” 。

NNSA 开发了大量复杂的代码，这些代码在超级计算机上运行，​以验证几十年前设计的核武器的持续安全性和性能。使它们保持最新状态需要新一代超级计算机，这些超级计算机可以比当今机器所需的几个月更快地运行更复杂的模型。但是，已经为最先进的晶圆厂投入巨资的行业正瞄准云计算等利润丰厚的大型市场。

早在 1992 年美国停止地下核试验之前，核武器设计者就使用计算机来了解核武器的物理原理。从那时起，强大的计算机模型一直是他们通过 NNSA 的库存管理计划维持国家核能力的主要工具。

几十年来，联邦在武器计划超级计算机上的支出补充了芯片生产的行业投资。NNSA 目前运行的最强大的机器是Frontier 计算机，它于去年在田纳西州的橡树岭国家实验室开始运行。它每秒可以执行 10的18次方（五分之一）次浮点运算（flops），使其成为第一台“百亿亿次级”计算机。它由 Cray 定制，理论上可以执行 2 exaflops。Cray 正在建造另一台百亿亿级计算机，该计算机将部署在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室。

但那些轻松的日子已经过去了，加州大学伯克利分校的凯西耶利克说。“在过去的 30 年里，NNSA 取得了真正的成功，结合了高端计算设施和计算科学专业知识，使其实验室成为重要的国家资源，”撰写 NRC 报告的小组主席在一次会议上说。 4月14日网上新闻发布会。她说，除了技术方面的挑战，“快速变化的地缘政治局势，强化了对计算领导地位的需求，将其作为威慑的一个要素。”

行业趋势令人担忧。大多数半导体制造业已经转移到美国以外的地区。自2019 年惠普企业收购 Cray以来，国内只剩下一家超级计算机开发商。业界正在为云计算等大容量市场开发技术，而这些市场不会轻易转移到规模小得多的超级计算市场。热门技术前沿是人工智能和量子计算。

报告称，对 NNSA 来说，“一切照旧是不够的”。该机构需要一个积极的路线图来开发新的计算技术。该报告敦促强调数学和计算机科学领域的“高风险、高回报研究”，以“培养激进创新”。该报告还表示，人工智能和量子计算都有前途，值得认真研究，但警告说，两者都不可能取代传统模拟所必需的大规模计算。

NNSA 现在计划在四到五年内用位于洛斯阿拉莫斯的更高容量的新系统替换其新的“百亿亿级”计算机，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室高级模拟和计算项目主任 Rob Neely 说。第二个这样的系统将在 2030 年左右在利弗莫尔建成。“与供应商就他们的路线图进行的早期讨论已经开始，”Neely 说。“我们也已经在劳伦斯利弗莫尔国家实验室实施一些NAS建议，特别是通过增加我们与云提供商的合作伙伴关系。” Livermore 和Amazon Cloud Web Services 正在探索云和高性能计算技术的共同兴趣。

Neely 说，接下来会发生什么“将在很大程度上取决于该时间段内整体技术趋势的发展方向，以及我们如何在不牺牲任务需求的情况下调整我们的代码以适应这些变化。” 他预计人工智能和云将影响后百亿亿级系统——如果 NNSA 能够调整其代码以适应新技术。这是一个很大的假设。NNSA 智囊团刚刚花了十年时间将其代码调整为适用于 GPU，因此“并不急于放弃 GPU 加速方法”。

NNSA 和该报告的作者都认为量子计算还很遥远。“在未来 10 到 15 年的任何时候，它们都不会取代经典计算机来完成我们大型、复杂和集成武器设计代码的主要任务，”Neely 说。

总体问题不仅仅是庞大且高度专业化的武器代码。一项政府计划确定了20 多个需要百亿亿次级计算的应用程序——其中许多应用程序将受益于更大的规模。