【IT168 专稿】近几年，随着大型RISC SMP系统、安腾服务器尤其是X86工业标准机群服务器的发展，国内的高性能计算（HPC）市场日渐火热。无论是IBM、HP、SUN、DELL等国际厂商，还是曙光、浪潮、联想等国产厂商，都把HPC当作不可或缺的战略性业务来对待。

     而为了满足技术创新和市场竞争的需要，教育、科研、国防、计算中心、政府乃至许多大型企业也开始大批量采购HPC系统。但用户到底需要什么样的HPC系统呢？是价格最便宜的，还是性能最强劲的？以往，我们在评估HPC系统时，大多以运算峰值、LINPACK值、使用效率等指标来计算。这是否真的合理呢？或许美国麻省理工学院对HPC系统的评估方法——在效益成本比率（BCR，benefit-cost ratio）的基础上计算投资回报率（ROI，return on investment）——能给我们带来新的思考。为此，我们编译了美国竞争力委员会Suzy Tichenor和MIT林肯实验室Albert Reuther撰写的这篇文章，以供国内用户参考。

HPC带来了什么？

    高性能计算（HPC，High performance computing），又称超级计算（supercomputing），不仅对科技进步和国家安全做出了巨大贡献，对工商业领域中的创新和竞争同样意义非凡。继理论和实验之后，使用HPC进行建模和模拟已经成为科技界和工业设计领域的第三条腿。有研究表明，在全球化的市场竞争中，拥有强大的HPC资源就意味着快速的市场反应速度、减少的成本和高人一筹的产品质量。

    比如，许多机构使用HPC系统（超级计算机）来设计汽车和飞机，寻找和开发新的能源，预测天气变化，发现新的药物乃至保卫我们的国家安全。HPC背后的效益往往是非常巨大的：

· 1980年，波音公司为其767客机测试了77架机翼。而在后期7E7 Dreamliner系列飞机的设计中，由于使用了HPC模拟，波音公司只需要测试11架机翼就可以了。
· 娱乐业的领导者DreamWorks Animation SKG通过采用超级计算机，为三维动画电影设立了全新的标准。结果，美国动漫产业在全球市场上占据了领导地位。
· 在宝洁公司，从纸尿布的原料吸收性的测试，到洗涤剂塑料瓶的重量和抗损性分析，HPC模拟都得到了极为广泛的应用。
· HPC在沃尔玛供应链管理中扮演着极为重要的角色，如通过每日数据分析来决定全球范围内的每个超市销售哪些商品，甚至可以让所有的店面按时打开灯光。
· Chevron及其合作伙伴在墨西哥海湾深水区勘探石油的过程中，HPC也起到了至关重要的作用，并最终发现了一块蕴藏30-150亿桶石油的新油田，使美国的石油储量增加了50%。

    事实上，如果性能足够强大，HPC能干的事还会更多，包括数字化虚拟人体医学、石油地震资料处理、原油精炼、互联网数据流实时性分析等诸多尖端领域。比如，当前由于地震模型中存在不确定性，会导致错误的钻井，从而影响产量和环境。而通过构建精确度更高的石油地震资源处理模型，HPC还能帮助发现50-75%的石油储量。

HPC普及应用的三大障碍

    尽管HPC的作用已很明显，但HPC在更大范围内的普及应用还是受到了阻碍。竞争力研究委员会（Council on Competitiveness）认为，主要有三个方面的阻碍因素。首先，许多技术人员对并行计算模拟不了解，因而需要花费一大笔教育培训支出；其次，存在技术上的障碍，如原有代码需要升级，新代码开发缓慢，CPU和其他子系统之间的性能差距越来越大等等。另外，在企业内部，业务策略和决策过程对是否购买或使用HPC会造成更加直接的影响。

    在许多美国公司的董事会上，HPC没有被当作有助于创新的工具，而是一个深不见底的“成本黑洞”。因此，在做投资决策时，管理层容易倾向于放弃HPC，或者采购“更便宜”而不是“更有生产力”的系统和削减人员培训费用，而不会把HPC当作长期投资。

HPC评价体系面临挑战

    许多高级管理人员之所以把HPC视作一种成本支出而不是一种有价值的投资，一个主要的原因就在于我们很难评估HPC的投资回报率。以往，业界在评价HPC系统时，都以系统使用率为主，比如系统中每颗CPU的实际使用率。这种评价指标背后的逻辑是，用户既然已经花了一大笔钱购买和维护一套HPC，就要让系统近乎100%地处于运行状态才真正划算。

    在这种思想的指导下，HPC系统拥有单位就会通过资源管理计划，来确保有许多用户在HPC机器上不停地运行规模较小的计算模拟任务。实际上，虽然这种做法确实可以提高系统的使用率，但却不能保证系统为最重要的计算任务提供服务。因此，这种简单、粗糙的评价方法没有反映出HPC系统的真正价值，也不利于提升组织的长期竞争优势，从而也不利于用户在购买、升级和维护HPC系统时做出正确的决策。

    一种新的评价方法是通过计算效益成本比率（BCR）来得出最终的投资回报率（ROI）。BCR的计算方法是指在一定时期内，用所获得的利润或成本节省除以投资总额。在本文的讨论中，我们以一年时间为期，则BCR跟内部回报率（IRR，internal rate of return）的关系是：BCR = 1 + IRR或IRR = BCR – 1。另外，我们也可以进行净现值（NPV，net present value）分析。

区别对待科学计算和商用计算

    在评估HPC系统的投资价值时，BCR的分母相对容易确定，只要精确计算出各部分的成本即可。但投资收益或成本节省的计算较难。DARPA  HPCS正在对BCR的分子和分母内容做出相应规定。在《国际高性能计算应用》杂志2004年冬季特别版上发表的一篇文章指出，HPCS研究小组已经开始使用生产力评价指标，即生产力由效用除以成本得出。这跟我们讨论的BCR非常相似，如下图所示：

 
    为了详细地阐述效用（效益）和成本之间的关系，HPCS生产力小组成员、MIT林肯实验室的Jeremy Kepner博士开发了一个高性能生产力框架和评估模型。HPCS生产力模型放弃了传统的高性能计算系统评价方法，如系统每秒浮点运算峰值（flops）和系统需求，因为这些指标通常对实际生产力不会有太大影响。BCR的计算公式如下图所示：

 
    可见，分子是指工程师和科学家在解决复杂问题时所节省的时间，分母则不仅考虑了系统成本，也包括了用户培训、为并行计算准备应用代码、启动应用软件以及管理系统所需的时间成本。可见，这种方法更加适用于高校科研等科学计算类用户。

    而在工商业领域，由于HPC系统很少用于基础科学研究，更多是用于解决产品设计和技术开发的问题，因此决定BCR或生产力的变量也大不相同。比如工业用户可能更加关心使用HPC系统开发新产品所带来的价值、潜在的市场份额增长、利润或损失以及任务本身的战略意义，而对节省的计算时间可能就不太关注。另外，因为商用并行化软件可以在市场上买到，因此，分母中的因素就无须考虑“为并行化做准备的时间”，而是改为“软件成本”。还有，跟软件运行时间相比，极短的应用启动时间也就可以忽略不计了。针对商业计算的BCR公式如下图所示：

科学计算案例：MIT现身说法

    MIT林肯实验室是美国国防部下的一个研发中心，由联邦政府提供资金支持。该实验室拥有一套600个处理器规模的企业级网格集群方案，其用户有200人。我们这里采用针对科学计算的BCR公式，其分子和分母数值为均值，该实验室每人一年的薪酬支出是20万美元，即平均每个工作小时可折算成100美元。

· 该系统每年可为200个用户节省的总时间是近36000个小时。节省时间= （系统使用时间）*（平均用户数）*（1-1/（平均每个任务所用的CPU数））。
· 为200个用户运算和模拟代码进行并行化的时间是近6200个小时。
· 每名用户学会使用系统的培训时间是4个小时，因此总的培训时间就是800小时。
· 平均每个任务的启动时间是10秒，每年有10000个并行任务需要启动，因此一年内总的启动时间是27.8个小时。
· 需要一名系统管理员，折算成2000个工作小时。
· 每年要购买200颗CPU（即100个双路服务器节点），每个节点的采购成本是5000美元，因此每年总采购成本是50万美元，相当于5000个工作小时。

    因此，BCR/生产力的计算结果如下：

     可见，一年相应的内部投资回报率（IRR）为160%，说明完全需要这样的HPC系统。

    实际上，HPC对MIT林肯实验室的作用也是相当明显的。比如，某位技术人员要对全美气象雷达进行改进性研究，如果在他自己的性能超强的台式机上进行运算和模拟，大约需要运行10个小时，他每天可以两次对计算过程进行调整或运行不同的数据：一次在白天工作时间，一次在晚上。而如果改用HPC系统，那么他需要培训一个上午来学会使用系统，然后下午对模拟代码进行并行化准备。接着在HPC系统上进行模拟，使用8-16颗CPU，通常运行时间少于一个小时。这样，每天他可以进行10-12次模拟，显然，这无疑会提高运算精度和运算效率，从而会给他自己的项目、赞助人乃至国家带来好处。

商用计算案例：某汽车企业

    下面我们再来看一个工业应用方面的例子。我们同样以一年为期，年初计算投资，年底计算效益。假设某汽车企业有三个项目必须用到HPC系统。该企业购买HPC系统后，三个项目有望分别带来525万、200万和450万美元的利润。其成本支出结构是：

· 购买软件许可证花费250万美元。
· 预计有90个用户，平均每人需培训80个小时，每小时的软件费用是120美元。
· 该系统需要10名系统管理员，平均每人年薪酬是20万美元。
· HPC系统硬件采购件是300万美元。

    相应的BCR值和IRR值如下所示：

 
    因此，该汽车公司的管理人员需要决策的是，40%的年度内部投资回报率（IRR）是否值当，进而决定是否需要购买HPC系统。

结论

    在过去的数十年里，HPC对美国经济已经产生了巨大的影响，使美国得以在全球经济领域确立和保持足够的竞争力。然而，竞争力研究委员会发现，尽管使用HPC会带来生产力和竞争力的提升，但许多企业的管理人员并没有认真对待这种技术。一部分因素在于人才缺乏和技术障碍，而另一大因素则是因为许多美国公司的董事会仅仅将HPC视为一种成本支出，而没有认识到HPC背后的潜在价值。

    在本文中，笔者讨论了用户在购买和使用HPC系统过程中发生的成本和效益，并分别对科学计算和商业计算两大不同领域的HPC投资进行例证说明。当然，用户实际进行投入产出比分析时，需要根据自己的实际情况综合考虑这两种方法，关键在于要对效益和成本进行正确识别和估算。不管怎样，投资HPC决不仅仅是一种成本支出，它将对企业收益、生产效率和员工技能都大有裨益。