2020年作為《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》頒布的第五年，使得今年教育備受關(guān)注?！犊傮w方案》里確定了每5年為一個建設(shè)周期，并針對雙一流大學(xué)的科學(xué)研究水平提出了詳細(xì)的目標(biāo)；同時《教育信息化2.0行動計(jì)劃》中也明確指出，2.0時代需要將1.0時代中完成的基礎(chǔ)建設(shè)的作用發(fā)揮出來。為了加快打造“雙一流”大學(xué)的進(jìn)程、迎接第一個5年目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)從1.0到2.0時代的跨越，各大高校過去幾年間一直在積極推動著信息化建設(shè)的探索與實(shí)踐。
我國從90年代開始了IDC和信息化硬件設(shè)施建設(shè)，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，截止到90年代末全國約有500余所大學(xué)建設(shè)了完備的校園網(wǎng)絡(luò)。
可以說，我國高校的信息化1.0始于20世紀(jì)90年代。如今，高校承載著物理、化學(xué)、藥物、工程模擬等多種類密集型的科研任務(wù)，數(shù)據(jù)龐雜、場景豐富，同時引入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動應(yīng)用等新技術(shù)進(jìn)行智慧校園的建設(shè)。1.0時代完善的信息建設(shè)也帶來了新的問題——隨著研究范圍的拓寬、研究內(nèi)容的深入、原始數(shù)據(jù)的累積、新數(shù)據(jù)挖掘和新技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)量幾何級增長，已經(jīng)形成的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)趕不上了數(shù)據(jù)應(yīng)用的變化，早前的基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)算能力無法匹配數(shù)據(jù)的增長，而單一的模塊升級又容易造成信息割裂——其實(shí)這并不僅是中國高校面臨的問題，幾乎全世界的高校都面臨著這些問題。
教育信息化浪潮再起EPYC打破高校數(shù)字圍城
以德國的烏爾姆大學(xué)為例，德國西南部的烏爾姆大學(xué)因其在電化學(xué)和相關(guān)學(xué)科方面的開創(chuàng)性研究而聞名。過去這所大學(xué)一直利用兩個獨(dú)立的云平臺分別處理數(shù)據(jù)，第一個高性能計(jì)算（HPC）群集，它為學(xué)生和研究人員提供了運(yùn)行復(fù)雜的量子化學(xué)和量子物理學(xué)計(jì)算的能力。第二個bwCloud（BadenWürttembergCloud）平臺，為烏爾姆大學(xué)在內(nèi)的巴登州教職員工、學(xué)生和研究人員提供訪問操作、項(xiàng)目、指導(dǎo)工作以及諸如數(shù)據(jù)挖掘之類的應(yīng)用程序，所需的計(jì)算資源權(quán)限等。這套應(yīng)用已久的方案看上去靈活輕便，但是問題隨著時間慢慢變得浮現(xiàn)出來——烏爾姆大學(xué)IT服務(wù)通信主管Stephan Wesner博士說道：“實(shí)踐證明，bwCloud太小且太慢，無法滿足強(qiáng)大的用戶需求?！币?yàn)榇笮蛻?yīng)用程序所需的大量內(nèi)存帶寬正在減慢性能，因而系統(tǒng)被迫依賴于服務(wù)器外部的存儲。
為了解決這個問題，烏爾姆大學(xué)選擇升級處理器能力強(qiáng)的服務(wù)器以支持大內(nèi)存，并保證其平臺的應(yīng)用程序可以有效地管理內(nèi)存。烏爾姆大學(xué)的團(tuán)隊(duì)測試了16款單插槽處理器后，選擇了AMD EPYC系列處理器來承擔(dān)平臺升級改造的任務(wù)。AMD EPYC處理器作為一款高性能x86服務(wù)器處理器，其行業(yè)領(lǐng)先地位毋庸置疑，第二代更是經(jīng)典“網(wǎng)紅”款處理器，2倍的FLUENT計(jì)算流體動力學(xué)性能、最高提升79%的LSTCLS-DYNA有限元分析性能、最高提升72%的RADIOSS結(jié)構(gòu)分析性能、達(dá)到60%的GROMACS分子動力學(xué)基準(zhǔn)提升以及高達(dá)79%的浮點(diǎn)性能提升。
64位X86架構(gòu)，和7納米技術(shù)的EPYC可以提供多達(dá)32MB的三級緩存以及多達(dá) 1TB 內(nèi)存容量，可根據(jù)計(jì)算需要，通過不同數(shù)量的計(jì)算核心與I/O模塊搭配實(shí)現(xiàn)不同的規(guī)格。其許多內(nèi)存通道使得烏爾姆大學(xué)完全實(shí)現(xiàn)在內(nèi)存中運(yùn)行應(yīng)用程序，不僅提升了bwCloud云平臺性能，更是因其解決方式實(shí)現(xiàn)了在同通類產(chǎn)品運(yùn)行時成本最低。
計(jì)算能力不足的情況同樣廣泛存在于不同地區(qū)的其他院校，美國的俄勒岡州立大學(xué)的生命和環(huán)境科學(xué)可算是聞名遐邇；該大學(xué)的基因組研究和生物計(jì)算中心（CGRB）要處理大量的基因測序，CGRB服務(wù)于俄勒岡州的26個部門，研究人員可以訪問該中心研發(fā)的4000~5000個程序。它們運(yùn)行在支持5000多個處理器的分布式服務(wù)架構(gòu)上，5 PB的存儲空間，以及安全專用的1G/10G/40G網(wǎng)絡(luò)。CGRB每天生成4TB到8TB的數(shù)據(jù)，大部分時間都會同時運(yùn)行數(shù)千個作業(yè)。
圣母大學(xué)的研究計(jì)算中心則是為多學(xué)科提供研究環(huán)境，在科學(xué)與工程，藝術(shù)，人文和社會科學(xué)領(lǐng)域起到了推動作用。該大學(xué)的研究計(jì)算中心（CRC）在廣泛的應(yīng)用程序中支持跨關(guān)鍵領(lǐng)域（包括癌癥，環(huán)境變化，全球健康等）的多樣化研究基礎(chǔ)架構(gòu)。巴黎圣母院研究計(jì)算中心（CRC）支持大約2000個活躍用戶帳戶、200個不同的軟件應(yīng)用程序。為了支持他們的研究人員，CRC的50名工程師和開發(fā)人員組成的團(tuán)隊(duì)管理著30,000多個計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并在20種不同的體系結(jié)構(gòu)中擁有3-4 PB的數(shù)據(jù)。巴黎圣母院的CRC需要一個平臺來支持多種軟件，并滿足其對流體動力學(xué)和天氣建模的高存儲能力要求。他們需要的HPC環(huán)境將支持每個作業(yè)500個內(nèi)核，并具有擴(kuò)展能力，每個內(nèi)核需要2GB至3GB的內(nèi)存。
二者同樣面臨了計(jì)算能力不匹配的困境，采用了AMD的解決方案，俄勒岡州立大學(xué)節(jié)省了服務(wù)器機(jī)房的數(shù)百萬美元，使用64核128線程的AMD EPYC 760取代124核、48線程的服務(wù)器，避免了在較低線程服務(wù)器上崩潰的現(xiàn)象；圣母大學(xué)采用了高帶寬和高速RAM的處理器 HPE ProLiant DL385 Gen10 服務(wù)器解決方案，通過構(gòu)建的更靈活的體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行更大的內(nèi)存、高性能計(jì)算，為流體動力學(xué)等受內(nèi)存限制的應(yīng)用程序提供空間。
“高性能計(jì)算+”新模式 安全高校并肩先行
計(jì)算性能是數(shù)據(jù)處理的決定因素，但好的產(chǎn)品能否落地應(yīng)用的依靠的卻不僅是性能。教育信息化發(fā)展中，比計(jì)算能力更重要的就是信息安全問題。在高校的IT建設(shè)中，安全保障是優(yōu)先于其計(jì)算能力的，教育信息化作為國家信息化的重要組成部分和戰(zhàn)略，在安全方面完全遵照2017年正式開始施行《網(wǎng)絡(luò)安全法》，明確網(wǎng)絡(luò)安全與信息化發(fā)展并重原則，法律中明確了對于網(wǎng)絡(luò)安全的違法行為將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。信息安全也是全世界高校都在關(guān)注的問題，美國高等教育信息化協(xié)會（EDUCAUSE）發(fā)布的2019年年度十大IT議題中第一個議題就是安全：“確保學(xué)校數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全是極度重要的事情。威脅在不斷增強(qiáng)，我們需要加速努力，將安全保障全面集成到IT戰(zhàn)略和措施的各個方面。有效的信息安全戰(zhàn)略會運(yùn)用以風(fēng)險為焦點(diǎn)的多層次戰(zhàn)略來為學(xué)校提供安全保障”。
可以說網(wǎng)絡(luò)安全是全球高校信息化基礎(chǔ)建設(shè)的基礎(chǔ)，而新一代的AMD EPYC同樣在安全方面頗具優(yōu)勢，可為安全啟動、安全內(nèi)存加密、安全加密虛擬化等功能提供基礎(chǔ)。芯片級嵌入式安全子系統(tǒng)提供的核心在以下方面頗具優(yōu)勢：I/O芯片中的嵌入式安全處理器；可用于安全加密虛擬化的509個加密密鑰；內(nèi)置在內(nèi)存控制器中的AES-128加密引擎；CPU核心隔離不同的內(nèi)存源；通過簡單的BIOS設(shè)置，無需更改軟件即可進(jìn)行的安全內(nèi)存加密等功能?？梢员ＷC核心數(shù)據(jù)的安全，為業(yè)務(wù)運(yùn)營保駕護(hù)航。
勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）是美國最注重計(jì)算能力和信息安全的研究機(jī)構(gòu)之一，它的使命是通過世界一流的科學(xué)、技術(shù)和工程來加強(qiáng)國家安全。同時他也是國家核安全局（NASA）的“儲備管理計(jì)劃”中的三個實(shí)驗(yàn)室之一，高級模擬和計(jì)算（ASC）計(jì)劃是其中的關(guān)鍵組成部分，成立的ASC計(jì)劃以模擬代替地下核試驗(yàn)。在ASC計(jì)劃下，LLNL的科學(xué)家和工程師使用模型和仿真來分析和預(yù)測這些因素對核材料的性能，安全性和可靠性的影響，從而研究材料科學(xué)，流體力學(xué)和高能量密度物理學(xué)。因此，LLNL需要HPC集群的商用處理器用于仿真、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，通過在具有多達(dá)32個內(nèi)核的AMD EPYC?7000系列處理器的服務(wù)器上創(chuàng)建170個節(jié)點(diǎn)的HPC群集，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析，使研究人員能夠更有效地運(yùn)行復(fù)雜的多物理場模擬。而LLNL的與AMD的合作也正是說明了其研究場景下，對高性能計(jì)算在安全與性能上的苛刻要求完全可以被滿足。
數(shù)據(jù)探索未來 計(jì)算驅(qū)動世界
不少影視作品將60年代“兩彈一星”的研發(fā)過程稱之為“算盤算出來的”過程，《我和我的祖國》《暗算》等電影中都有這一幕——國防科技戰(zhàn)線的科研工作者為了研發(fā)原子彈，幾乎所有的工作環(huán)境里都是滿地的計(jì)算數(shù)據(jù)紙、算盤、草稿紙、鉛筆。這樣通過大量人力物力手算來協(xié)助計(jì)算機(jī)制造原子彈的“囧”境其實(shí)并非只存在于我國，實(shí)際上美國的“曼哈頓工程”也有專門的計(jì)算部門，雇傭的幾千人大多數(shù)是有數(shù)學(xué)和物理背景的女性和科學(xué)家的夫人們，唯一的任務(wù)就是算數(shù)。
其實(shí)造成這樣局面的主要原因是當(dāng)時的計(jì)算機(jī)能力有限。盡管70多年前數(shù)據(jù)計(jì)算還是難事慢事國之重事，但是DT時代下，處理海量的數(shù)據(jù)和多樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已相對輕松。無論是我國的“兩彈一星”還是美國的“曼哈頓工程”，計(jì)算機(jī)都在其中扮演了重要的角色，可以說計(jì)算機(jī)的發(fā)明是因?yàn)閲拦こ痰慕ㄔO(shè)。彼時笨重的計(jì)算機(jī)只是承擔(dān)著簡單的計(jì)算工作，如今，AMD EPYC 將強(qiáng)大的處理集中在一塊小小的芯片內(nèi)，在一塊基板上，并排放置最多四顆芯片，每顆芯片內(nèi)部為8核心，總計(jì)達(dá)到了32核心。未來，計(jì)算能力還將不斷進(jìn)步，而計(jì)算的創(chuàng)新和發(fā)展也將推動了社會甚至整個人類社會的進(jìn)步。
