斯坦福研發(fā)專用語言Regent以滿足C++的不足

斯坦福大學(xué)開發(fā)出一種用于編程超級計算機的新語言Regent。用戶可以先編程計算任務(wù)，然后再定位數(shù)據(jù)，非常容易，而且無需重新編寫代碼。科學(xué)家希望創(chuàng)建一個不需要每個研究人員成為計算機科學(xué)家的編程環(huán)境。最前沿科學(xué)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)只有超級計算機能夠應(yīng)對，但這些機器的難度卻成了前進的阻礙。

幾十年前，計算機成本高昂，復(fù)雜且罕見。但是PC革命改變了這一點，為大多數(shù)人提供了更小、更快、更容易使用、更易于獲取且更便宜的計算機，科學(xué)家們因此受益匪淺。他們開發(fā)了計算機技術(shù)來研究細胞的內(nèi)部運作、遙遠恒星的行星軌道、以及遠遠超出其觀察能力的其他現(xiàn)象。

但對于處于最前沿的研究人員來說，新式復(fù)雜的儀器開始產(chǎn)生越來越多的數(shù)據(jù)，需要用到超級計算機來分析實驗結(jié)果。給這些硬件編程所需軟件太復(fù)雜了，另試圖分析這些龐大數(shù)據(jù)集的科學(xué)家們常常難以掌握。不過好消息來了。Regent，一門由斯坦福大學(xué)計算機科學(xué)家Alex Aiken領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)的新編程語言，將使得超級計算機編程更易于使用。

“我們希望創(chuàng)建一個不需要每個研究人員成為計算機科學(xué)家的編程環(huán)境，”阿爾卡特朗訊通信和網(wǎng)絡(luò)教授，粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)以及光子科學(xué)教授Aiken說。

Regent有助于解決超級計算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)。超級計算機比以往任何時候都復(fù)雜得多，當前的編程語言一直在努力跟上步伐。提到超級計算機，大眾的腦海中可能會浮現(xiàn)出一臺類似黑客帝國Matrix的巨型機器，但它實際上是由數(shù)千個微處理器組成的數(shù)組。

科學(xué)家通常使用C++對這些陣列進行編程。C++是40年前的一種編程語言，在當時那個年代，主要的微處理器是中央處理單元即CPU。CPU可以快速的解決問題，一個接一個地計算，程序員稱之為串行方式。但是現(xiàn)在，第二種類型的微處理器對于超級計算變得重要，即圖形處理單元或GPU。一開始是為了玩電腦游戲時，控制屏幕上無可計數(shù)的像素點，可以執(zhí)行并行計算。

事實證明，并行處理在機器學(xué)習(xí)等應(yīng)用中非常有用。C++已經(jīng)升級，以跟上這波硬件的變化。不幸的是，補丁的增加使語言越來越難以使用。而Regent能夠讓超級計算機的程序員更容易做一些事情，比如將串行處理任務(wù)分配給CPU，將并行處理任務(wù)分配給GPU。

一旦Regent在概念層面上構(gòu)建了程序，程序員的意圖就會被編譯成一個名為Legion的第二個軟件層。Legion生成機器代碼，用來指導(dǎo)超級計算機硬件如何執(zhí)行程序的精確指令。Regent和Legion之間的緊密集成使程序員更容易做出其他重要決定; 值得注意的是，存儲超級計算機必須分析的數(shù)據(jù)的位置。

Elliott Slaughter是SLAC國家加速器實驗室的科學(xué)家，他幾乎從一開始就在Regent和Legion工作過，他表示兩層之間的整合可以節(jié)省程序員的金錢和時間。計算機消耗能源，這需要成本，移動數(shù)據(jù)的成本可能是對該數(shù)據(jù)執(zhí)行計算的成本的100倍。

此外，大型實驗通常依賴于收集大量數(shù)據(jù)的儀器。Slaughter表示，一些儀器可以每秒收集相當于20個DVD的數(shù)據(jù)，用于持續(xù)15分鐘的實驗。即使以光速在光纖上移動，從儀器到超級計算機獲取大量數(shù)據(jù)也可能產(chǎn)生滯后，這可能會破壞分析。

“把數(shù)據(jù)存儲在什么地方，是程序員需要做出的重要抉擇，”Slaughter說。Regent和Legion通過為程序員提供前所未有的控制權(quán)來節(jié)省金錢和時間，以便在等待計算時存儲數(shù)據(jù)?！澳憧梢韵葓?zhí)行計算任務(wù)，然后在不重寫代碼的情況下輕松定位數(shù)據(jù)，”他說。Regent會流行嗎？研究人員表示，新語言必須克服大量的慣性。“這是一種非常不同的編程方式，”Aiken說。“研究人員需要一段時間才能采用所需的思維模式?！?/p>

但有兩個因素對它有利。首先，超級計算硬件的繼續(xù)改進。美國能源部正在推動其Exascale計算項目的發(fā)展，該項目的目標是在2021年左右實現(xiàn)超級計算能力的50倍增長。能源部正在支持軟件項目，包括Regent，以幫助編程保持同步。

此外，許多想要使用超級計算機的科學(xué)家不熟悉當前的工具，并對編寫大型實驗所需的陡峭學(xué)習(xí)曲線持懷疑態(tài)度。即使是經(jīng)驗豐富的超級計算機程序員也可能會發(fā)現(xiàn)當前系統(tǒng)很麻煩，并想知道是否有更好的方法。Aiken說：“我們經(jīng)常與那些意識到Regent為他們生活更輕松的科學(xué)家交談?！?/p>