2019年6月25日，美國(guó)高級(jí)情報(bào)研究所 (IARPA)針對(duì)大規(guī)模計(jì)算和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的未來建模和仿真研究領(lǐng)域的研究工作——“系統(tǒng)集應(yīng)用程序建模 (SLAM)”，發(fā)布信息征詢文件。建模與模擬 (ModSim)技術(shù)對(duì)于新系統(tǒng)架構(gòu) (硬件和軟件)和應(yīng)用程序的協(xié)同設(shè)計(jì)至關(guān)重要。它提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式來探索新設(shè)計(jì)，檢查基線設(shè)計(jì)的偏移影響，并在最終構(gòu)建之前優(yōu)化硬件和軟件。系統(tǒng)和應(yīng)用程序復(fù)雜性不斷升級(jí)給 ModSim 帶來了更多挑戰(zhàn)，包括：應(yīng)用程序執(zhí)行、高性能數(shù)據(jù)移動(dòng)、數(shù)據(jù)管理、計(jì)算調(diào)度和系統(tǒng)特性表示等。應(yīng)用程序可能涉及數(shù)據(jù)流和基于文件系統(tǒng)的批量數(shù)據(jù)的混合。異構(gòu)數(shù)據(jù)源的這些額外挑戰(zhàn)使得對(duì)應(yīng)用程序的執(zhí)行建模變得更加重要也更復(fù)雜。

高性能計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著容量和功能的需求不斷增長(zhǎng)，因此當(dāng)前和未來的系統(tǒng)架構(gòu)采用的非核心設(shè)計(jì)，具有非易失性技術(shù)、突發(fā)緩沖器的更深存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)、新穎的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件、近存儲(chǔ)器處理、增加的節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性、新穎的網(wǎng)絡(luò)方法以及極端的系統(tǒng)級(jí)并行性。系統(tǒng)可以由各種不同的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模數(shù)據(jù)源組成。這些因素都推動(dòng)了對(duì)未來應(yīng)用程序中平衡性能的需求，這些應(yīng)用程序不僅在日益復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)上執(zhí)行，而且在日益嚴(yán)峻的系統(tǒng)和設(shè)施功率限制下，提供高水平的安全性和彈性、滿足高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用程序的融合、處理不規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化環(huán)境的相關(guān)挑戰(zhàn)的需求，進(jìn)一步加劇硬件-軟件交互的復(fù)雜性。

加深對(duì)高性能計(jì)算系統(tǒng)有效使用、設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)于計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。從邊緣計(jì)算到極端規(guī)模的異構(gòu)系統(tǒng)，所需要的是可以對(duì)硬件系統(tǒng)和運(yùn)行應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)信息起作用的統(tǒng)一模型；預(yù)測(cè)功率、性能和彈性；并在變化發(fā)生時(shí)正式確定權(quán)衡的影響。此外，這些模型對(duì)未來系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。但是，ModSim 的進(jìn)步主要取決于克服硬件以及運(yùn)行時(shí)和應(yīng)用程序域之間的巨大抽象差距。

該信息征詢文件旨在了解如下研究方向的進(jìn)展：

(1)高保真 ModSim 技術(shù)。在系統(tǒng)性能及其優(yōu)化的動(dòng)態(tài)條件下，執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)中心型應(yīng)用程序的復(fù)雜、異構(gòu)的高保真模型，需要新的建模方法和工具。新方法必須靈活且計(jì)算需求低，模擬保真度和準(zhǔn)確性必須高且可證明，或者至少在多種體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序工作負(fù)載上保持一致，最好是接近實(shí)時(shí)的高保真度模擬。

(2)人工智能 (AI)系統(tǒng)及應(yīng)用的 ModSim 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)作為 ModSim 的一種方法。AI/ML 已成為所有形式的計(jì)算中必不可少的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)因素，包括大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和數(shù)值密集型計(jì)算。該趨勢(shì)指出應(yīng)用 AI/ML 技術(shù)為 ModSim 方法，從而支持一系列系統(tǒng)，包括但不限于 AI 為中心的系統(tǒng)。

(3)性能、功率和彈性的統(tǒng)一建模。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)向高彈性和高能效系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，開發(fā)新的集成方法以綜合性能、功耗和彈性，同時(shí)考慮熱效應(yīng)和功率限制的影響至關(guān)重要。

(4)系統(tǒng)級(jí)建模和仿真。系統(tǒng)級(jí)模型將涉及整合的 ModSim 技術(shù)，以在系統(tǒng)執(zhí)行感興趣的應(yīng)用程序時(shí)預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的性能和能量消耗。希望能夠在使用 ModSim 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)之前和之后的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。ModSim 方法的集成必須在子系統(tǒng)及其接口上，并具有“置入”分辨率和保真度的能力，具體取決于模擬的預(yù)期用途。系統(tǒng)級(jí)建模應(yīng)涵蓋具有不同復(fù)雜性和工作負(fù)載特征的各種應(yīng)用程序。這種集成模擬可能需要基于不同建模方法 (例如，分析和統(tǒng)計(jì))的混合和匹配方法。

(5)在應(yīng)用程序中的不規(guī)則性建模。隨著執(zhí)行模型轉(zhuǎn)向更加動(dòng)態(tài)的、面向任務(wù)的模型，由于可遷移的工作單元和自動(dòng)負(fù)載平衡機(jī)制，預(yù)測(cè)應(yīng)用程序性能變得更具挑戰(zhàn)性。此外，動(dòng)態(tài)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、熱量限制和過程變化等功能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能異構(gòu)，甚至可以使初始平衡的工作負(fù)載不夠理想，因此捕獲這種可變性是推動(dòng) ModSim 技術(shù)發(fā)展水平的基礎(chǔ)。

(6)動(dòng)態(tài)建模。需要能夠定量和準(zhǔn)確地捕獲動(dòng)態(tài)和自適應(yīng)應(yīng)用程序和系統(tǒng)行為的 ModSim 方法。當(dāng)前針對(duì)傳統(tǒng)科學(xué)工作負(fù)載的靜態(tài)模型不足以解決動(dòng)態(tài)行為，必須擴(kuò)展現(xiàn)有的經(jīng)過驗(yàn)證的方法，以預(yù)測(cè)行為在整個(gè)執(zhí)行過程中依賴于輸入和動(dòng)態(tài)的應(yīng)用程序的性能和能耗。建立動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)建模方法將成為未來大規(guī)模系統(tǒng)利用的高效和富有成效的關(guān)鍵技術(shù)。

由于 IARPA 旨在描繪有影響力的 ModSim 環(huán)境的未來，因此提交的回復(fù)必須涵蓋一系列 ModSim 研究方向。對(duì)此信息征詢文件的回復(fù)應(yīng)回答以下問題：確定未來 ModSim 環(huán)境的候選研究工作；(2)描述一種技術(shù)方法，用于對(duì)大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用程序的執(zhí)行進(jìn)行建模，包括方法的局限性；(3)解釋如何在技術(shù)發(fā)展的當(dāng)前階段實(shí)現(xiàn)擬議能力的實(shí)施，或者實(shí)現(xiàn)實(shí)施需要哪些未來發(fā)展。