2022硬核预测 | HPC三大全球发展预测

2021年，疫情使远程工作和在线学习模式成为常态，对更高计算能力和更少延迟的需求大幅增加，高性能计算（HPC）市场因此得到了超出预期的高速发展。未来将有更多行业需要芯片互联架构与高速网络，HPC市场也将进一步扩张。

新应用领域层出不穷

去年，HPC更多地被用于疫苗生产。未来，HPC除在医学研究和监测领域继续发挥作用外，也将在在新市场中进一步拓展。

全球灾难性气候事件正在不断增加，提前预测此类事件对保护人类安全越来越重要，因此未来一年与气候预测相关的应用程序将在HPC领域备受关注。此外，随着HPC在云端的使用，将有更多HPC应用于消费导向的软件程序开发，虚拟世界和元宇宙概念的出现，也让HPC迎来新的发展机遇，既可用于游戏（AR/VR）等娱乐应用，也可用于数字孪生等模拟应用。

现在被边缘化的HPC将成为未来的主流。工业部门将在机器人、视觉系统和预防性维护及监控中使用HPC，例如将HPC用于解决装配线上的预定或预测故障。除此之外，基本上所有需要计算能力并将设备用于减少停机需求的工业领域都可以使用HPC。

HPC市场正在扩展新的领域，在传统的模拟和建模过程中加入人工智能（AI）和数据分析技术。新冠疫情的爆发增加了对灵活、可扩展的云端HPC解决方案的需求，这一需求连同各个垂直行业（生命科学、汽车、金融、游戏、制造业、航空航天等）对快速处理数据和高精度日益增长的需求，将会是未来几年推动HPC应用增长的主要因素。AI、边缘计算、5G和Wi-Fi 6等技术将拓宽HPC的功能，从而形成新的芯片/系统架构，为各个行业提供高效处理和分析能力。

                                                                                           Susheel Tadikonda | 新思科技系统设计事业部工程副总裁

提高HPC安全性将成为关键

2022年要处理的数据量将成倍增长，数据的价值也将大幅提升。安全性应是设计HPC组件时的基本要素，而确保安全性也将是开发者今后面临的最大设计挑战之一。

HPC系统包含高度定制化的硬件和软件栈，可在性能优化、能效和互操作性等方面进行调整。设计和保护具有独特使用模式和独特组件的此类系统是通用计算系统的差异所在。HPC系统的安全威胁不仅限于网络或存储数据泄露，还包括侧信道攻击，如从电源状态、排放物和处理器等待时间推断数据模式。更多创新将围绕内存和存储技术、智能互连、芯片功能安全和云安全展开，以便高效管理海量数据。涵盖系统生命周期架构、设计和芯片后组件的安全验证将成为安全保证中最重要的部分之一。

零信任框架也将被更广泛采用，这意味着希望访问数据的人需要进行身份验证，并证明其有数据访问权限。我们预计未来一年左右，零信任框架将逐渐扩大落地规模。事实上，我们已经看到一些必要硬件的投入使用。此外，基础设施内的每个元素中都将嵌入信任根，以便各组件之间相互验证，并确保设备在与其他设备共享数据之前拥有数据使用和处理权限。

当市场整体的数字化程度提升，则安全风险也将随之增加。越来越多的高性能计算正在远离数据中心，这将直接导致无法通过软件补丁处理的攻击数量增加。这给开发团队带来巨大压力，迫使他们紧急推出硬件来解决这些问题，由此缩短硬件设计周期。因此提高开发者的生产效率以紧跟上市需求的步伐将成为下一步布局重点。

                                                                                                Ruben Molina | 新思科技芯片实现事业部产品营销总监

HPC处理器架构多样化

随着数据量增加，不仅是安全性，基础设施存储以及数据处理的算力必须得到提升。此外，新的架构包括3DIC和芯片间的连接也是推动新需求所必需的。

受到不断变化的AI工作负载、灵活的计算（CPU、GPU、FPGA、DPU等）、成本、内存和IO吞吐量等因素共同驱动，HPC架构正在经历巨变。微架构层面变得互连更快、计算密度更高存储可拓展、基础设施效率更高、生态友好性、空间管理和安全性更高。从系统的角度来看，下一代HPC架构将出现分解架构和异构系统的爆炸式增长，不同的专用处理架构将集成在单个节点中，在模块之间实现精密、灵活的切换。如此复杂的系统也带来了巨大的验证挑战，尤其是系统的IP或节点、软硬件动态协调、基于工作负载的性能、电源等相关验证。要满足这些验证需求，需要开发新的软硬件验证方法。

移动数据对电力和时间有很大的需求，这是系统管理者现在面临的挑战之一，减少数据移动量将成为未来的一种趋势。我们需要继续扩展资源，利用高级封装和芯片间接口来支持更高性能的设备，即通过使用多裸晶来扩展设备内的处理能力，这在未来一年内有望真正实现。

                                                                                                Scott Durrant | 新思科技解决方案事业部战略营销经理

除了通过将数据移动到更靠近处理元件的位置来减少延迟之外，多裸晶集成还能将多个芯片组合到一个封装中以扩展计算能力，且这一过程无需负担尖端工艺技术的成本。要实现这一点，开发者需要能够对封装内多个芯片的时序和功率进行布局规划、布线和分析。另一种扩展计算能力的方法是为特定任务定制计算架构。半导体公司已经开始将此方法用于网络处理器和图形应用程序，但要将其正确用于RTL，需要进行大量前期架构探索，并将大量精力放在早期设计周期中可以权衡这些的工具上。

此外，类似3DIC的架构正成为处理特定计算路径的关键。开发者可以使用3DIC和 die-to-die 连接来设计封装，然后将其从特定组件外推到发生内存系统分解的机器上，从而为我们用不同类型的设计和架构来处理特定工作流任务提供了专门路径。

2022年，HPC的应用场景将更加广泛，在着重提升HPC安全性的同时，还必须同步提升基础设施存储及数据计算能力，以应对不断增加并复杂化的市场需求。