橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory) 的 Frontier 超级计算机在计算速度方面达到了新的里程碑，其高性能 Linpack 基准测试分数达到了每秒 135 亿亿次浮点运算。
自2022年问世以来，“前沿”系统已增加400个新节点，计算能力大幅提升。该系统现擅长混合精度计算任务，这对于从生物现象建模到人工智能进步等应用至关重要。
前沿超级计算机的持续演进
在成为首台突破百亿亿次运算大关的超级计算机两年半后，能源部橡树岭国家实验室的Frontier系统仍在不断刷新速度和效率的性能基准。
上周，在国际高性能计算、网络、存储和分析大会（SC24）于亚特兰大举行的TOP500榜单更新活动中，HPE Cray EX超级计算机在解决问题速度方面创造了新纪录。Frontier采用双精度算术（计算研究中科学准确性的64位标准），实现了1.35百亿亿次浮点运算（exaflops）的高性能Linpack（HPL）分数，即每秒可进行1.35千万亿次计算。
领导力和业绩成就
“Frontier 的新数据反映了橡树岭国家实验室计算与计算科学部 (OLCF) 的计算专家和计算人员所做出的巨大贡献，他们了解如何最大限度地优化尖端高性能计算系统，以满足我们科学用户群体不断变化的需求，”橡树岭国家实验室计算与计算科学部副主任吉娜·图拉西 (Gina Tourassi) 介绍道。“在系统的整个生命周期内，他们始终在突破边界。”
Frontier凭借这一分数在2024年11月全球运算速度最快的500台超级计算机榜单中位列第二。2022年5月，Frontier以每秒超过一千京次运算的百亿亿次性能运算能力首次亮相便拔得头筹。
“我们内部的专家团队了解如何使该系统的性能发挥到极致，”阿什利·巴克（Ashley Barker）表示，其为前沿所在橡树岭领导计算中心 (Oak Ridge Leadership Computing Facility) 的主任。“他们是全球最具经验的百亿亿次计算团队，他们在前沿上运行该测试的同时，让前沿为其他用户解决科学问题。”
计算能力取得重大进展
Frontier运算速度的提升标志着其性能实现了约150拍浮点运算（每秒150万亿次计算）的飞跃——大致相当于其前身超级计算机Summit的性能，而Summit已于上周退役。
“我们已能在前沿（Frontier）上解决惊人的大型问题——即这个星球上最大的科学问题，”橡树岭国家实验室公司研究员兼前沿项目负责人阿尔·盖斯特（Al Geist）说道。“今年，我们基本上又获得了一台超级计算机（如Summit）的计算能力。”
扩展功能及未来应用
Frontier依靠由数千个节点组成的星座网络，每个节点都是一台由1个CPU和4个GPU组成的独立超级计算机，节点之间通过90多英里的电缆连接，从而能够进行通信并协同解决大型问题。Frontier于2022年首次亮相，拥有9400多个节点，此后工作人员又增加了400个节点，目前总数已超过9800个。最新的HPL基准测试在9500个节点上运行。
盖斯特（Geist）估计，前沿（Frontier）改进后的分数中，大约有一半要归功于这些新节点，这些节点已被用于极端规模计算项目（Exascale Computing Project）的应用开发和测试。极端规模计算项目监督了前沿以及其他极端规模机器（如阿贡国家实验室的极光（Aurora）超级计算机和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的酋长岩（El Capitan）超级计算机）的软件应用开发，并于今年早些时候完成了相关工作。
除了由 OLCF 计算专家获得的新节点和百亿亿次计算经验之外，Frontier 还对其数学库进行了改进，该数学库由 Frontier 的制造商惠普企业 (HPE) 以及为 Frontier 提供 CPU 和 GPU 的制造商 AMD 共同开发。
除了升级后的HPL数值，Frontier团队还记录了新的高性能Linpack混合精度（HPL-MxP）分数——11.4百亿亿次浮点运算，即每秒可进行11.4×10^18次计算，该分数是在全部9800个节点上运行得出的。与先前10.2百亿亿次浮点运算的HPL-MxP分数相比，此次分数实现了超过百亿亿次的飞跃。
对癌细胞、超新星、冠状病毒或元素原子结构等现象进行建模时所使用的详细模拟需要64位精度，这是一种对计算能力要求很高的精确度标准。用于人工智能的机器学习算法通常需要的精度较低——有时低至32位、24位或16位精度。
“这表明 Frontier 在解决 AI 问题方面能力有多强，”巴克（Barker）说。“我们通过混合精度运算得到的结果同样准确，但从数学角度讲，它们的实现方式不同。对于某些问题，双精度仍然是标准，但在这些潜在速度下，我们预计会有更多研究人员开始探索他们能通过混合精度取得什么样的结果。他们想利用这种能力将问题解决速度提高 10 倍，而我们的团队知道该如何做到这一点。”
Frontier 是采用 HPE Cray EX 系统的超级计算机，拥有 9,800 多个节点，每个节点都配备了第三代 AMD EPYC™ CPU 和四个 AMD Instinct™ MI250X GPU。OLCF 是美国能源部科学办公室的用户设施。
