气候变化所扩大的极端天气正在造成全球日益毁灭性的影响。由于高计算成本和严格的时间到解决方案限制，目前基于物理的数值天气预测（NWP）的使用限制了精度。我们报告说，数据驱动的深度学习地球系统模拟器Fourcastnet可以预测全球天气，并在接近最先进的准确性的同时，比NWP更快地产生五个量子的预测。四个超级计算系统（Selene，Perlmutter和Juwels Booster高达3,808 nvidia a100 GPU）在三个超级计算系统上进行了优化，并有效地缩放，并在混合精度中获得140.8 PETAFLOPS（该规模的峰值为11.9％）。在3,072GPU上在Juwels Booster上测量的训练四界的时间到达的时间为67.4分钟，相对于最新的NWP，在推理中，相对于最先进的NWP的时间更快。 Fourcastnet提前一周可产生准确的瞬时天气预测，使巨大的合奏更好地捕捉了极端天气，并支持更高的全球预测决议。

在过去十年中，已经开发出新的深度学习（DL）算法，工作负载和硬件来解决各种问题。尽管工作量和硬件生态系统的进步，DL系统的编程方法是停滞不前的。 DL工作负载从DL库中的高度优化，特定于平台和不灵活的内核，或者在新颖的操作员的情况下，通过具有强大性能的DL框架基元建立参考实现。这项工作介绍了Tensor加工基元（TPP），一个编程抽象，用于高效的DL工作负载的高效，便携式实现。 TPPS定义了一组紧凑而多才多艺的2D张镜操作员（或虚拟张量ISA），随后可以用作构建块，以在高维张量上构建复杂的运算符。 TPP规范是平台 - 不可行的，因此通过TPPS表示的代码是便携式的，而TPP实现是高度优化的，并且特定于平台。我们展示了我们使用独立内核和端到端DL＆HPC工作负载完全通过TPPS表达的方法的效力和生存性，这在多个平台上优于最先进的实现。

过去的几年见证了基于变压器的模型的成功，其规模和应用方案继续积极发展。变压器模型的当前景观越来越多样化：该模型大小差异很大，最大的参数是最大的。模型特性由于特征的混合物所引入的稀疏性而有所不同。目标应用程序方案可以是关键延迟或面向吞吐量的情况；部署硬件可以是具有不同类型的内存和存储等单身或多GPU系统。随着多样性的增加和变压器模型的快速发展速度，设计高性能和高效的推理系统非常具有挑战性。在本文中，我们提出了DeepSpeed推断，这是用于解决上述挑战的变压器模型推理的全面系统解决方案。深速推理包括（1）一种多GPU推理解决方案，可最大程度地减少潜伏度，同时最大化密集和稀疏变压器模型的吞吐量，当它们适合聚集的GPU内存时，以及（2）一种异质推理解决方案，该解决方案利用CPU和NVME内存中的CPU和NVME内存。除了GPU内存和计算以使高推理吞吐量具有不适合聚集GPU内存的大型推理吞吐量。对于面向延迟的方案，深速推理可将延迟降低到最新的7倍，而对于面向吞吐量的方案，延迟的潜伏期将延迟减少到1.5倍以上。此外，它通过利用数百个GPU来实现实时延迟约束下的参数量表推断，这是一个前所未有的推理。它可以比仅使用GPU的解决方案更大的25倍模型，同时提供84个TFLOPS（超过50美元的A6000峰值）。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

变压器模型的成功将深度学习模型量表推向了数十亿个参数。但是，由于单个GPU的内存资源有限，因此仍然缺乏选择最佳并行策略的最佳实践，因为它需要深度学习和并行计算方面的域专业知识。巨大的AI系统通过引入统一的界面来解决上述挑战，以将模型培训的顺序代码扩展到分布式环境。它支持并行训练方法，例如数据，管道，张量和序列并行性，以及与零冗余优化器集成的异质训练方法。与基线系统相比，巨大的AI可以实现大型型号的训练速度的2.76倍。

Deep neural networks (DNNs) are currently widely used for many artificial intelligence (AI) applications including computer vision, speech recognition, and robotics. While DNNs deliver state-of-the-art accuracy on many AI tasks, it comes at the cost of high computational complexity. Accordingly, techniques that enable efficient processing of DNNs to improve energy efficiency and throughput without sacrificing application accuracy or increasing hardware cost are critical to the wide deployment of DNNs in AI systems.This article aims to provide a comprehensive tutorial and survey about the recent advances towards the goal of enabling efficient processing of DNNs. Specifically, it will provide an overview of DNNs, discuss various hardware platforms and architectures that support DNNs, and highlight key trends in reducing the computation cost of DNNs either solely via hardware design changes or via joint hardware design and DNN algorithm changes. It will also summarize various development resources that enable researchers and practitioners to quickly get started in this field, and highlight important benchmarking metrics and design considerations that should be used for evaluating the rapidly growing number of DNN hardware designs, optionally including algorithmic co-designs, being proposed in academia and industry.The reader will take away the following concepts from this article: understand the key design considerations for DNNs; be able to evaluate different DNN hardware implementations with benchmarks and comparison metrics; understand the trade-offs between various hardware architectures and platforms; be able to evaluate the utility of various DNN design techniques for efficient processing; and understand recent implementation trends and opportunities.

高维时空动力学通常可以在低维子空间中编码。用于建模，表征，设计和控制此类大规模系统的工程应用通常依赖于降低尺寸，以实时计算解决方案。降低维度的常见范例包括线性方法，例如奇异值分解（SVD）和非线性方法，例如卷积自动编码器（CAE）的变体。但是，这些编码技术缺乏有效地表示与时空数据相关的复杂性的能力，后者通常需要可变的几何形状，非均匀的网格分辨率，自适应网格化和/或参数依赖性。为了解决这些实用的工程挑战，我们提出了一个称为神经隐式流（NIF）的一般框架，该框架可以实现大型，参数，时空数据的网格不稳定，低级别表示。 NIF由两个修改的多层感知器（MLP）组成：（i）shapenet，它分离并代表空间复杂性，以及（ii）参数，该参数解释了任何其他输入复杂性，包括参数依赖关系，时间和传感器测量值。我们演示了NIF用于参数替代建模的实用性，从而实现了复杂时空动力学的可解释表示和压缩，有效的多空间质量任务以及改善了稀疏重建的通用性能。

在概述中，引入了通用数学对象（映射），并解释了其与模型物理参数化的关系。引入了可用于模拟和/或近似映射的机器学习（ML）工具。ML的应用在模拟现有参数化，开发新的参数化，确保物理约束和控制开发应用程序的准确性。讨论了一些允许开发人员超越标准参数化范式的ML方法。

Novel artificial intelligence (AI) technology has expedited various scientific research, e.g., cosmology, physics and bioinformatics, inevitably becoming a significant category of workload on high performance computing (HPC) systems. Existing AI benchmarks tend to customize well-recognized AI applications, so as to evaluate the AI performance of HPC systems under predefined problem size, in terms of datasets and AI models. Due to lack of scalability on the problem size, static AI benchmarks might be under competent to help understand the performance trend of evolving AI applications on HPC systems, in particular, the scientific AI applications on large-scale systems. In this paper, we propose a scalable evaluation methodology (SAIH) for analyzing the AI performance trend of HPC systems with scaling the problem sizes of customized AI applications. To enable scalability, SAIH builds a set of novel mechanisms for augmenting problem sizes. As the data and model constantly scale, we can investigate the trend and range of AI performance on HPC systems, and further diagnose system bottlenecks. To verify our methodology, we augment a cosmological AI application to evaluate a real HPC system equipped with GPUs as a case study of SAIH.

基于von-neumann架构的传统计算系统，数据密集型工作负载和应用程序（如机器学习）和应用程序都是基本上限制的。随着数据移动操作和能量消耗成为计算系统设计中的关键瓶颈，对近数据处理（NDP），机器学习和特别是神经网络（NN）的加速器等非传统方法的兴趣显着增加。诸如Reram和3D堆叠的新兴内存技术，这是有效地架构基于NN的基于NN的加速器，因为它们的工作能力是：高密度/低能量存储和近记忆计算/搜索引擎。在本文中，我们提出了一种为NN设计NDP架构的技术调查。通过基于所采用的内存技术对技术进行分类，我们强调了它们的相似之处和差异。最后，我们讨论了需要探索的开放挑战和未来的观点，以便改进和扩展未来计算平台的NDP架构。本文对计算机学习领域的计算机架构师，芯片设计师和研究人员来说是有价值的。

机器学习的进步为低端互联网节点（例如微控制器）带来了新的机会，将情报带入了情报。传统的机器学习部署具有较高的记忆力，并计算足迹阻碍了其在超资源约束的微控制器上的直接部署。本文强调了为MicroController类设备启用机载机器学习的独特要求。研究人员为资源有限的应用程序使用专门的模型开发工作流程，以确保计算和延迟预算在设备限制之内，同时仍保持所需的性能。我们表征了微控制器类设备的机器学习模型开发的广泛适用的闭环工作流程，并表明几类应用程序采用了它的特定实例。我们通过展示多种用例，将定性和数值见解介绍到模型开发的不同阶段。最后，我们确定了开放的研究挑战和未解决的问题，要求仔细考虑前进。

In this paper, we present Pangu-Weather, a deep learning based system for fast and accurate global weather forecast. For this purpose, we establish a data-driven environment by downloading $43$ years of hourly global weather data from the 5th generation of ECMWF reanalysis (ERA5) data and train a few deep neural networks with about $256$ million parameters in total. The spatial resolution of forecast is $0.25^\circ\times0.25^\circ$, comparable to the ECMWF Integrated Forecast Systems (IFS). More importantly, for the first time, an AI-based method outperforms state-of-the-art numerical weather prediction (NWP) methods in terms of accuracy (latitude-weighted RMSE and ACC) of all factors (e.g., geopotential, specific humidity, wind speed, temperature, etc.) and in all time ranges (from one hour to one week). There are two key strategies to improve the prediction accuracy: (i) designing a 3D Earth Specific Transformer (3DEST) architecture that formulates the height (pressure level) information into cubic data, and (ii) applying a hierarchical temporal aggregation algorithm to alleviate cumulative forecast errors. In deterministic forecast, Pangu-Weather shows great advantages for short to medium-range forecast (i.e., forecast time ranges from one hour to one week). Pangu-Weather supports a wide range of downstream forecast scenarios, including extreme weather forecast (e.g., tropical cyclone tracking) and large-member ensemble forecast in real-time. Pangu-Weather not only ends the debate on whether AI-based methods can surpass conventional NWP methods, but also reveals novel directions for improving deep learning weather forecast systems.

当今的大多数计算机视觉管道都是围绕深神经网络构建的，卷积操作需要大部分一般的计算工作。与标准算法相比，Winograd卷积算法以更少的MAC计算卷积，当使用具有2x2尺寸瓷砖$ F_2 $的版本时，3x3卷积的操作计数为2.25倍。即使收益很大，Winograd算法具有较大的瓷砖尺寸，即$ f_4 $，在提高吞吐量和能源效率方面具有更大的潜力，因为它将所需的MAC降低了4倍。不幸的是，具有较大瓷砖尺寸的Winograd算法引入了数值问题，这些问题阻止了其在整数域特异性加速器上的使用和更高的计算开销，以在空间和Winograd域之间转换输入和输出数据。为了解锁Winograd $ F_4 $的全部潜力，我们提出了一种新颖的Tap-Wise量化方法，该方法克服了使用较大瓷砖的数值问题，从而实现了仅整数的推断。此外，我们介绍了以功率和区域效率的方式处理Winograd转换的自定义硬件单元，并展示了如何将此类自定义模块集成到工业级，可编程的DSA中。对大量最先进的计算机视觉基准进行了广泛的实验评估表明，Tap-Wise量化算法使量化的Winograd $ F_4 $网络几乎与FP32基线一样准确。 Winograd增强的DSA可实现高达1.85倍的能源效率，最高可用于最先进的细分和检测网络的端到端速度高达1.83倍。

计算机架构和系统已优化了很长时间，以便高效执行机器学习（ML）模型。现在，是时候重新考虑ML和系统之间的关系，并让ML转换计算机架构和系统的设计方式。这有一个双重含义：改善设计师的生产力，以及完成良性周期。在这篇论文中，我们对应用ML进行计算机架构和系统设计的工作进行了全面的审查。首先，我们考虑ML技术在架构/系统设计中的典型作用，即快速预测建模或设计方法，我们执行高级分类学。然后，我们总结了通过ML技术解决的计算机架构/系统设计中的常见问题，并且所用典型的ML技术来解决它们中的每一个。除了在狭义中强调计算机架构外，我们采用数据中心可被认为是仓库规模计算机的概念;粗略的计算机系统中提供粗略讨论，例如代码生成和编译器;我们还注意ML技术如何帮助和改造设计自动化。我们进一步提供了对机会和潜在方向的未来愿景，并设想应用ML的计算机架构和系统将在社区中蓬勃发展。

深度学习领域目睹了对极端计算和内存密集型神经网络的显着转变。这些较新的较大模型使研究人员能够推进各种领域的最先进的工具。这种现象刺激了在更多的硬件加速器上产生了针对神经网络的分布式训练的算法。在本文中，我们讨论并比较了当前的最先进的框架，以实现大规模的分布式深度学习。首先，我们调查分布式学习中的当前实践，并确定所使用的不同类型的并行性。然后，我们提出了对大型图像和语言培训任务的性能进行了经验结果。此外，我们解决了他们的统计效率和内存消耗行为。根据我们的结果，我们讨论了阻碍性能的每个框架的算法和实现部分。

We study the problem of efficient generative inference for Transformer models, in one of its most challenging settings: large deep models, with tight latency targets and long sequence lengths. Better understanding of the engineering tradeoffs for inference for large Transformer-based models is important as use cases of these models are growing rapidly throughout application areas. We develop a simple analytical model for inference efficiency to select the best multi-dimensional partitioning techniques optimized for TPU v4 slices based on the application requirements. We combine these with a suite of low-level optimizations to achieve a new Pareto frontier on the latency and model FLOPS utilization (MFU) tradeoffs on 500B+ parameter models that outperforms the FasterTransformer suite of benchmarks. We further show that with appropriate partitioning, the lower memory requirements of multiquery attention (i.e. multiple query heads share single key/value head) enables scaling up to 32x larger context lengths. Finally, we achieve a low-batch-size latency of 29ms per token during generation (using int8 weight quantization) and a 76% MFU during large-batch-size processing of input tokens, while supporting a long 2048-token context length on the PaLM 540B parameter model.

由于其对人类生命，运输，粮食生产和能源管理的高度影响，因此在科学上研究了预测天气的问题。目前的运营预测模型基于物理学，并使用超级计算机来模拟大气预测，提前预测数小时和日期。更好的基于物理的预测需要改进模型本身，这可能是一个实质性的科学挑战，以及潜在的分辨率的改进，可以计算令人望而却步。基于神经网络的新出现的天气模型代表天气预报的范式转变：模型学习来自数据的所需变换，而不是依赖于手工编码的物理，并计算效率。然而，对于神经模型，每个额外的辐射时间都会构成大量挑战，因为它需要捕获更大的空间环境并增加预测的不确定性。在这项工作中，我们提出了一个神经网络，能够提前十二小时的大规模降水预测，并且从相同的大气状态开始，该模型能够比最先进的基于物理的模型更高的技能HRRR和HREF目前在美国大陆运营。可解释性分析加强了模型学会模拟先进物理原则的观察。这些结果代表了建立与神经网络有效预测的新范式的实质性步骤。

变形金刚是一种深入学习语言模型，用于数据中心中的自然语言处理（NLP）服务。在变压器模型中，生成的预训练的变压器（GPT）在文本生成或自然语言生成（NLG）中取得了显着的性能，它需要在摘要阶段处理大型输入上下文，然后是产生一个生成阶段的一次单词。常规平台（例如GPU）专门用于在摘要阶段平行处理大型输入，但是由于其顺序特征，它们的性能在生成阶段显着降低。因此，需要一个有效的硬件平台来解决由文本生成的顺序特征引起的高潜伏期。在本文中，我们提出了DFX，这是一种多FPGA加速器，该设备在摘要和发电阶段中执行GPT-2模型端到端，并具有低延迟和高吞吐量。 DFX使用模型并行性和优化的数据流，这是模型和硬件感知的设备之间快速同时执行执行。其计算核心根据自定义说明运行，并提供GPT-2操作端到端。我们在四个Xilinx Alveo U280 FPGAS上实现了建议的硬件体系结构，并利用了高带宽内存（HBM）的所有频道，以及用于高硬件效率的最大计算资源数量。 DFX在现代GPT-2模型上实现了四个NVIDIA V100 GPU的5.58倍加速度和3.99倍的能效。 DFX的成本效益比GPU设备更具成本效益，这表明它是云数据中心中文本生成工作负载的有前途解决方案。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

在过去几年中，培训最先进的神经网络的记忆要求远远超过了现代硬件加速器的DRAM能力。这仍然需要开发有效的算法，并在大规模的基于GPU的集群上并行培训这些神经网络。由于在现代GPU上的计算相对便宜，因此在这些并行训练算法中设计和实现极其有效的通信对于提取最大性能至关重要。本文介绍了Axonn，一个并行深度学习框架，用于利用异步和消息驱动的执行来安排每个GPU上的神经网络操作，从而降低GPU空闲时间并最大限度地提高硬件效率。通过使用CPU存储器作为划痕空间来定期在训练期间定期卸载数据，AXONN能够将GPU存储器消耗降低四次。这使我们可以将每个GPU的参数数量增加四次，从而减少通信量并将性能提高超过13％。在48-384 NVIDIA TESLA V100 GPU的大型变压器模型上进行了12-100亿参数，Axonn实现了理论峰的49.4-54.78％的每GPU吞吐量，并将培训时间减少22-37天（15-25与最先进的加速度）。