傳統(tǒng)HPC擁抱大數(shù)據(jù)與人工智能？沒那么難也沒那么貴

原標(biāo)題：傳統(tǒng)HPC擁抱大數(shù)據(jù)與人工智能？沒那么難也沒那么貴

人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，給企業(yè)發(fā)展帶來新機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了新的煩惱，不菲的投入讓不少企業(yè)只能望人工智能、大數(shù)據(jù)卻步。

擁抱人工智能的苦惱

下面是一個(gè)真實(shí)的企業(yè)場景：由于業(yè)務(wù)相關(guān)，這家企業(yè)很早就建設(shè)了高性能計(jì)算集群，不過利用率一直也不算高。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，這家企業(yè)想著如果能把原有的存量資源用起來，豈不是兩全其美，但當(dāng)真正想把這一設(shè)想落地的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)還是挺多的。

這樣的苦惱相信不少企業(yè)都有，一邊是現(xiàn)存高性能計(jì)算集群大量閑置的計(jì)算、存儲(chǔ)資源，一邊是上馬人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿項(xiàng)目，居高不下的成本。

這樣的矛盾有辦法解決嗎？

答案當(dāng)然是有的。英特爾高性能計(jì)算融合平臺(tái)就致力于用同一通用平臺(tái)，同時(shí)支持仿真和建模等傳統(tǒng)高性能計(jì)算應(yīng)用，以及人工智能與數(shù)據(jù)分析等新型應(yīng)用。目前，該平臺(tái)已經(jīng)有了不少落地實(shí)踐。

英特爾在其中究竟做了些什么？我們不妨先看看傳統(tǒng)的高性能計(jì)算集群建設(shè)模式和現(xiàn)在有什么不一樣？參見下圖。

如圖左，過去高性能計(jì)算集群建設(shè)是跟著應(yīng)用走，每上一個(gè)新項(xiàng)目，計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、資源管理器等軟硬件就建設(shè)一次。由此帶來的問題很多，數(shù)據(jù)孤島、資源利用率低……現(xiàn)在呢？如圖右，計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源池化，統(tǒng)一資源管理器承載各種不同的應(yīng)用。

簡單類比，從圖左到圖右就是從傳統(tǒng)IT到云的轉(zhuǎn)變。從左到右需要做的工作也很清晰，三層：資源池化、資源管理器統(tǒng)一化、應(yīng)用優(yōu)化。一層一層展開：

資源層，打通

計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)，毫無疑問，難點(diǎn)在存儲(chǔ)，因?yàn)槿斯ぶ悄?、大?shù)據(jù)分析的核心其實(shí)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用。

為此，英特爾使用Alluxio進(jìn)行存儲(chǔ)抽象化。Alluxio 是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一款開源軟件，可為各類存儲(chǔ)上的多個(gè)對象和文件存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)創(chuàng)建單點(diǎn)訪問。

具體而言，Alluxio可將任意完全不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)集合作為可通過單一標(biāo)準(zhǔn)接口訪問的單一虛擬數(shù)據(jù)源提供給應(yīng)用。這樣，用戶就能在應(yīng)用和數(shù)據(jù)之間建立“任意對任意”的聯(lián)系，且無需考慮這些資源的物理位置或格式化方式。

換句話說，對于用戶來說，通過使用Alluxio，應(yīng)用無需進(jìn)行復(fù)雜且耗時(shí)的配置，即可訪問現(xiàn)有數(shù)據(jù)，省時(shí)省力。另外，從軟件開發(fā)的角度來看，也省去了很多代碼開發(fā)工作。

事實(shí)上，為了保證存儲(chǔ)的性能和效率，Alluxio做了很多針對性改進(jìn)。

比如，爭奪緩存資源是分布式應(yīng)用最常見的挑戰(zhàn)之一，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用必須從磁盤而非緩存訪問數(shù)據(jù)，從而降低性能。而Alluxio可提供分布式共享緩存，通過支持應(yīng)用將共享訪問層中經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)緩存到系統(tǒng)內(nèi)存，來幫助克服性能缺陷。

很顯然，使用 Alluxio進(jìn)行存儲(chǔ)抽象化相當(dāng)于另一種方式的存儲(chǔ)資源池化，能夠在盡可能利用現(xiàn)有資源的前提下，幫助企業(yè)過渡到一組較小的、為融合平臺(tái)提供服務(wù)的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

而在計(jì)算層面和網(wǎng)絡(luò)層面，業(yè)界已經(jīng)有很多成熟的解決方案，這里不一一而足。值得一提的是，為了促進(jìn)高性能計(jì)算和人工智能的融合，英特爾在硬件研發(fā)方面也做了很多調(diào)整，基于全新英特爾技術(shù)創(chuàng)新，包括英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器、英特爾傲騰數(shù)據(jù)中心級(jí)持久內(nèi)存等，用戶可以有力推進(jìn)二者的融合。

比如，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，與三年機(jī)齡的系統(tǒng)相比，搭載第二代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的平臺(tái)在高性能計(jì)算CPU基準(zhǔn)測試中的平均性能提高多達(dá)3.7倍。此外，與競爭處理器相比，在 LINPACK CPU基準(zhǔn)測試中可將性能提升高達(dá)5.8倍。在人工智能推測方面，與競爭處理器相比，集成了英特爾深度學(xué)習(xí)加速的第二代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器可使圖像分類推理性能提升高達(dá)25倍。

資源管理器層，統(tǒng)一

由于每種工作負(fù)載的資源管理器在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮彼此之間的互操作性，所以沒有一體適用的方案，為此英特爾正在研究多種解決方案，以對客戶現(xiàn)有環(huán)境進(jìn)行改造。這里介紹兩個(gè)方案。

一個(gè)是面向高性能計(jì)算批量調(diào)度程序的Magpie，架構(gòu)圖如下

Magpie是美國勞倫斯利物莫國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)開源項(xiàng)目, 目的就是在高性能計(jì)算環(huán)境中運(yùn)行TensorFlow，英特爾深度參與其中。應(yīng)該說，為了更好的支持該方案，英特爾做了很多工作來確保各種工作負(fù)載擁有出色的性能和穩(wěn)定性。

最終的成果是，保證在同一平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行Apache Spark的同時(shí)，仿真和建模工作負(fù)載照舊，二者互不干擾。另外，使用Horovod Magpie提交人工智能或數(shù)據(jù)分析工作負(fù)載的作業(yè)，幾乎沒有額外開銷，且不會(huì)造成任何明顯的性能降級(jí)。

另一個(gè)方案是Univa Grid Engine和Resource Broker，架構(gòu)圖如下。

Univa Grid Engine是一個(gè)需要商業(yè)許可的資源管理器。不久前，該公司將Univa Universal Resource Broker開源，用于管理和優(yōu)化分布式應(yīng)用、服務(wù)與大數(shù)據(jù)框架，其可以抽象化處理分布式數(shù)據(jù)中心資源，從而創(chuàng)建一個(gè)跨物理服務(wù)器、虛擬機(jī)、混合云和容器運(yùn)行的單一虛擬資源池。

除了傳統(tǒng)的仿真和建模，該方案允許用戶使用Univa Grid Engine擴(kuò)展集群，從而支持Apache Spark和TensorFlow等工作負(fù)載。

從本質(zhì)上說，該方案是把Universal Resource Broker作為適配器，從而將各種工作負(fù)載與Univa Grid Engine 集成在一起，而Universal ResourceBroker允許任何與Apache Mesos兼容的軟件在UnivaGrid Engine上運(yùn)行。

應(yīng)用層，優(yōu)化

英特爾深度參與人工智能、大數(shù)據(jù)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，貢獻(xiàn)、優(yōu)化包括TensorFlow、MXNet 和Caffe等在內(nèi)的深度學(xué)習(xí)框架。

眾所周知，人工智能在今天的應(yīng)用已經(jīng)不局限于常見的圖像識(shí)別、語言翻譯、推薦引擎、生成式設(shè)計(jì)和生成式對抗網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)的不斷下沉，欺詐檢測、地震關(guān)聯(lián)、安全、安保和預(yù)測性維護(hù)等場景與人工智能的關(guān)聯(lián)也越來越緊密。

針對這種情況，英特爾開發(fā)了面向深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的英特爾數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫(英特爾MKL-DNN) 。通過為在英特爾架構(gòu)上運(yùn)行訓(xùn)練和推理相關(guān)的資源密集型操作提供高度調(diào)優(yōu)的數(shù)學(xué)函數(shù)，改進(jìn)人工智能框架在硬件上的橫向擴(kuò)展能力，優(yōu)化框架在高性能計(jì)算平臺(tái)的適用性。

另外，英特爾與谷歌建立了長期合作關(guān)系，共同優(yōu)化TensorFlow。基于英特爾處理器部署英特爾MKL-DNN，能夠給性能帶來數(shù)量級(jí)的提升。

特別值得一提的是，用戶只需要使用英特爾MKL-DNN的設(shè)置來構(gòu)建TensorFlow即可，無需進(jìn)行任何軟件或配置更改即可利用這些優(yōu)化，十分簡便。而且，這些優(yōu)化還在不斷進(jìn)行中。

此外，英特爾還參與了大量開源項(xiàng)目的優(yōu)化建設(shè)。比如，英特爾目前正在為ApacheSpark 開發(fā)功能，以便利用通過OpenFabrics接口提供消息傳遞的高性能結(jié)構(gòu)。

總結(jié)全文，人工智能、大數(shù)據(jù)……新技術(shù)催生新時(shí)代正在到來，未來很美好，但挑戰(zhàn)也不小，有各種各樣的，本文講的主要是如何利舊。從中不難看出，英特爾絕不只是一家處理器公司，在底層，在大家看不到的地方，英特爾做了非常多的工作。有這方面訴求的企業(yè)不妨去找英特爾去深入了解一下，擁抱人工智能、大數(shù)據(jù)沒那么難、沒那么貴。

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