什麼是高效能運算（HPC）？
高效能運算（HPC）基於複雜運算作業的平行處理。HPC 系統將工作負載拆分為較小的任務，並指派給多個資源，以便同時處理。這些平行運算功能能使 HPC 叢集比傳統運算模型更快、更有效率地執行大型工作負載。
可將這些 HPC 系統設計為垂直擴充或水平擴充。垂直擴充的設計將工作保留在單一系統內，但將其拆分，以便多個獨立的處理器核心執行工作。垂直擴充設計的目標是最個別伺服器的使用率發揮到極致。水平擴充的設計也將工作拆分為可管理的部分，分發至多個伺服器。
高效能運算的重要性為何？
高效能運算已不是新鮮事。數十年來，HPC 工作站和超級電腦在學術研究中扮演著不可或缺的角色，解決了複雜的問題並激發了探索和創新。
科學家、工程師和研究人員在一系列使用案例中仰賴 HPC，包括天氣預報、石油和天然氣探勘、物理學、量子力學以及學術研究和商業應用的其他領域。
與傳統運算相比，HPC 的平行運算功能可大幅加速迭代流程。例如，HPC 可將訓練深度學習模型的執行時間從數天縮短為數小時。隨著 AI 和巨量資料應用日漸普及，加上先進的運算資源變得更易於存取且價格更實惠，人們正在部署 HPC 以解決日益廣泛的挑戰，推動創新的全面發展。
HPC 如何運作？
雖然 HPC 可以在單一節點上運作，但真正的威力來自於將多個 HPC 節點連接到一個叢集以進行超級運算和平行運算。HPC 叢集可運算單一系統可能無法實現的超大規模模擬、AI 推理和資料分析。
現代超級電腦是由 CPU、加速器、高效能通訊結構以及精密的記憶體和儲存裝置所組成的大型 HPC 叢集，皆跨節點協同工作以防止瓶頸發生並提供最佳效能。
HPC 平台軟體庫、巨量資料和深度學習的最佳化框架以及其他軟體工具有助於改進 HPC 叢集的設計和成效。
什麼是 HPC 叢集？
HPC 叢集是獨立伺服器的組合，稱為節點，可作為平行運算的單元。HPC 叢集透過快速網路互連，而分散式處理框架則透過軟體進行協調。HPC 叢集可進行擴充，以高速處理大量資料和高度複雜的操作。
高效能運算的優勢
透過在共享資源上執行運算密集型操作，HPC 比傳統運算方法更快且成本更低。在許多情況下，傳統電腦系統需要耗費不切實際或不可行的時間來解決複雜的計算或模擬，或訓練特別複雜的 AI 模型。HPC 的平行特性可實現效率，省下數小時或整天的處理時間。
隨著可擴充、高效能處理器和高速、大容量記憶體、儲存裝置以及網路的可用性不斷提高，HPC 技術變得更加容易取得。因此，人們愈加使用 HPC 解決複雜問題、分析大量資料集，並在政府和商業環境以及學術界設計創新解決方案。
雲端型資源也有助於使 HPC 更經濟實惠。科學家和工程師可以在本地基礎架構上執行 HPC 工作負載，或在雲端中進行擴充和擴展，以降低資本投資需求。
高效能運算的挑戰
HPC 系統提供了引人注目的優勢，但也可能帶來獨特的挑戰。由於 HPC 旨在處理複雜問題，因此系統本身通常較大、複雜且價格昂貴。隨著 HPC 系統擴充至包含數百甚至數千個處理器核心，它們會消耗大量能源，並需要強大的散熱系統，導致營運成本高昂。此外，保留合格的 HPC 專家人員來設定及運行系統可能具有挑戰性且所費不貲。在某些情況下，將關鍵 HPC 流程移轉到雲端有助於降低成本。
由於 HPC 系統的複雜性以及平行操作的互連性，也加劇了安全性的挑戰。HPC 應用程式通常仰賴大型資料集（包括敏感資料），使其成為網路犯罪和網路間諜活動的誘人目標。HPC 系統也可能由一大群使用者共用，進而增加了系統的漏洞。嚴格的網路安全和資料治理流程必須包括存取控制，以免未經授權的使用者或惡意引進系統。
高效能運算的範例
時至今日，研究實驗室、政府機關和企業無不仰賴 HPC 在不同的應用程式中進行模擬和建模，包括自動駕駛、產品設計和製造、天氣預報、地震資料分析和能源生產。HPC 系統也有助於精準醫療、金融風險評估、詐欺偵測、運算流體力學和其他領域的進展。
HPC 與 AI
HPC AI 提供平行運算基礎架構，為先進的 AI 演算法注入動能，使研究人員和工程師突破 AI 和深度學習應用的界限。
金融服務業的 HPC
HPC 可協助簡化金融服務中的人工智慧部署，以及處理日益龐大且複雜的資料集，以支援近乎即時的市場分析和期權定價、交易監控和詐欺偵測。
汽車業的 HPC
HPC 系統支援電腦輔助設計和工程，以及新車型的模擬和測試。自動駕駛車輛的持續開發也仰賴 HPC 系統反覆訓練 AI 模型。
醫療健保與生命科學領域的 HPC
HPC 和 AI 技術用於加速及簡化基因組分析，以支援精準醫療，以及分子動力學模擬，以探索和測試新的生物製藥療法。
政府機構的 HPC
公共部門機構、大學和研究實驗室使用 HPC 加速探索、自動化及資料驅動的決策。
網路安全領域的 HPC
HPC 為網路安全解決方案提供人工智慧驅動的增強功能，協助保護組織、其系統、使用者與資料免受日益複雜的網路攻擊。
高效能運算的未來
隨著 HPC 軟硬體在資料中心和雲端中愈來愈容易實現並廣泛使用，HPC 技術有望為各種規模的企業和政府機構推動創新和生產力。HPC 超級電腦也即將超越百萬兆級的限制，提升了解決更複雜挑戰的能力。未來，HPC 系統可能利用量子運算實現前所未有的處理能力，儘管這項技術仍處於高度實驗階段。隨著 HPC 處理能力不斷擴張，系統應對最複雜的工程、科學和 AI 相關挑戰的能力也會跟著提升。
