十幾年前，還不曾有加速應(yīng)用程序。而如今已有近600個(gè)應(yīng)用程序通過(guò)NVIDIA GPU實(shí)現(xiàn)了提速。

這些應(yīng)用程序涵蓋了物理、生物科學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、化學(xué)和天氣預(yù)報(bào)等各個(gè)領(lǐng)域。其中包括全球最熱門的15個(gè)高性能計(jì)算應(yīng)用程序，也都是通過(guò)GPU實(shí)現(xiàn)加速的。去年，NVIDIA GPU應(yīng)用程序目錄收錄了100多個(gè)應(yīng)用程序，接下來(lái)還會(huì)有更多的程序?qū)⒈魂懤m(xù)添加到目錄中。

Intersect 360研究所的一份報(bào)告中收錄了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的各個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用程序。其中，排名前15的應(yīng)用程序均由GPU加速，這些都是一系列殺手級(jí)的核心科學(xué)應(yīng)用程序。其中包括：

GROMACS（化學(xué)）– 分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用程序，旨在模擬包含了數(shù)百到數(shù)百萬(wàn)個(gè)粒子的系統(tǒng)的牛頓運(yùn)動(dòng)方程。

ANSYS（流體動(dòng)力學(xué)分析）– 模擬液體和氣體與表面的相互作用。

Gaussian（化學(xué)）– 預(yù)測(cè)分子系統(tǒng)的能量、分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)頻率。

VASP（化學(xué)）– 用于從頭計(jì)算法量子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)模擬。

NAMD（化學(xué)）– 大型生物分子系統(tǒng)的高性能模擬。

Simulia Abaqus（結(jié)構(gòu)分析）– 用于結(jié)構(gòu)力學(xué)的模擬和分析。

WRF（天氣/環(huán)境建模）– 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，專為大氣研究和操作預(yù)測(cè)應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)。

OpenFOAM（流體動(dòng)力學(xué)分析）– 通用型 CFD 軟件的求解器庫(kù)。

ANSYS（結(jié)構(gòu)分析）– 對(duì)高頻和高速電子元件中的 3D 全波電磁場(chǎng)進(jìn)行建模。

LS-DYNA（結(jié)構(gòu)分析）– 結(jié)構(gòu)力學(xué)的模擬和分析工具。

BLAST（生物科學(xué)）– 應(yīng)用最為廣泛的生物信息學(xué)工具之一。

LAMMPS（化學(xué)）– 經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)程序包。

Amber（化學(xué)）– 專門針對(duì)生物分子系統(tǒng)模擬而開(kāi)發(fā)的分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用程序。

Quantum Espresso（化學(xué)）– 一套集成的計(jì)算機(jī)代碼，用于電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和納米級(jí)材料建模。

GAMESS（化學(xué)）– 用于模擬原子和分子電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算化學(xué)套件。

這些工具本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)性能的遞增性提升。但通過(guò)采用NVIDIA GPU的服務(wù)器，其性能通?？商岣?0 倍或更多。并且，GPU加速可以改善數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)效益。

預(yù)測(cè)天氣

天氣預(yù)報(bào)是一項(xiàng)遠(yuǎn)比其看起來(lái)更加困難的工作。天氣預(yù)報(bào)是高性能計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。準(zhǔn)確可靠的天氣預(yù)報(bào)不僅可以拯救生命，還有助于航空、能源和公用事業(yè)、保險(xiǎn)、零售和其他行業(yè)做出經(jīng)濟(jì)決策。

天氣預(yù)報(bào)需要大量的計(jì)算資源，包括幾何尺度（尤其是全球天氣預(yù)報(bào)），和大量描述大氣狀態(tài)的變量。

但是，受限于可用的計(jì)算量和應(yīng)用程序的性能，當(dāng)前的天氣預(yù)報(bào)模型僅限于低分辨率的模擬，例如12公里的分辨率。

這些模型忽略了一些重要的細(xì)節(jié)，例如云層的影響（云層可以反射太陽(yáng)輻射，在天氣模式中扮演著重要的角色）。采用1公里云分辨率可以改善預(yù)測(cè)效果，但這需要 應(yīng)用程序的性能提升1700倍。

GPU加速可以彌補(bǔ)此差距，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

加速空氣動(dòng)力學(xué)模擬

使用NASA的FUN3D代碼模擬SLS Block 1B助推器分離流場(chǎng)。該圖片由Jamie Meeroff，Henry Lee，NASA/Ames提供。

火箭能夠以超高的速度飛行，然而利用大規(guī)?？諝鈩?dòng)力學(xué)模擬，我們可以對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，讓火箭可以飛得更快、更高效。

NASA蘭利研究中心開(kāi)發(fā)的FUN3D計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，可用于模擬各種空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用程序中的流體流動(dòng)。該應(yīng)用程序在NASA Pleiades超級(jí)計(jì)算機(jī)上消耗的周期比其他任何應(yīng)用程序都要多。借助于GPU加速，采用了6個(gè)NVIDIA V100 Tensor Core GPU的服務(wù)器能夠以高出雙插槽CPU服務(wù)器30倍的性能運(yùn)行這些模擬。

總結(jié)：GPU具備非常好的性能，從而高效地計(jì)算規(guī)模更大、更復(fù)雜的模擬。NASA已經(jīng)證明，在Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)上，僅需運(yùn)行1000臺(tái)GPU服務(wù)器就可以完成100多萬(wàn)個(gè)CPU核心的工作。而且，其能源成本遠(yuǎn)低于CPU。

性能持續(xù)提升

我們?cè)诟鱾€(gè)加速計(jì)算領(lǐng)域都擁有深厚的儲(chǔ)備。結(jié)合由100多萬(wàn)名開(kāi)發(fā)人員組成的生態(tài)系統(tǒng)，我們將共同形成一個(gè)不斷改進(jìn)的平臺(tái)。該平臺(tái)可以在相同的 GPU加速服務(wù)器上提供更高的應(yīng)用程序性能。

例如，在包含 11 個(gè)高性能計(jì)算應(yīng)用程序的組合中，對(duì)于采用4個(gè)NVIDIA Tesla P100 GPU的服務(wù)器，其當(dāng)前的運(yùn)行速度比兩年前提高了2倍。如果同時(shí)改進(jìn)軟件堆棧和GPU架構(gòu)，您可以獲得更大的性能提升。

現(xiàn)在，通過(guò)單一平臺(tái)，您可以加速各種高性能計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用程序：科學(xué)計(jì)算、工業(yè)模擬、深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)。