|
Системы с производительностью экзафлопного уровня будут способны решать самые серьезные планетарные проблемы
Патрик Тибодо,
Computerworld, США
Среди производителей крупных вычислительных систем ведется своего
рода состязание за создание самого мощного суперкомпьютера,
позволяющего решать важнейшие мировые проблемы, в том числе изучать
изменение климата, управлять плазменными реакторами, температура в
которых достигает 150 млн гр. Цельсия, и разрабатывать биотопливо из
сорняков, а не из зерновых культур.
Суперкомпьютеры позволяют исследователям создавать трехмерные
визуализации для выполнения бесконечных сценариев по типу "что, если"
(отчасти это напоминает компьютерные игры) с высочайшим уровнем
детализации. Но какими бы мощными ни были современные суперкомпьютеры,
их быстродействия все еще недостаточно. Это стало предметом обсуждения
для примерно 11 тыс. специалистов, собравшихся в середине ноября в
Портленде (Орегон) на 22-ю ежегодную конференцию по суперкомпьютерам
SC09. Приоритетная задача на сегодня – создание экзафлопного компьютера
(один экзафлоп равняется 10^18 плавающих операций в секунду. - Прим. ред.).
Сейчас до такого уровня еще далеко. Jaguar, самая мощная в мире
система, установленная в Национальной лаборатории в Окридже, обладает
проектной пиковой производительностью 2,3 PFLOPS. Система, собранная на
платформе Cray XT5, работает на базе 224 256 ядер в шестиядерных
процессорах AMD Opteron.
Однако рекорд Jaguar, безусловно, продержится недолго. Как заметил
Бадди Блэнд, директор проекта в Окридже, Министерство энергетики США
уже начало проводить семинары по созданию в тысячу раз более мощного
суперкомпьютера. Система с производительностью экзафлопного уровня
потребуется для создания климатических моделей с высоким разрешением,
разработки биоэнергетических продуктов и поддержки интеллектуальной
grid-сети, а также для проектирования термоядерных реакторов (такой
проект сейчас ведется, например, во Франции - это Международный
экспериментальный термоядерный реактор).
"Есть задачи, для решения которых объективно требуется
производительность, измеряемая в экзафлопах, и решить их за разумное
время на имеющейся вычислительной базе невозможно", - заметил Блэнд.
Какими бы поразительными ни казались суперкомпьютерные системы, они
остаются — на своем уровне — примитивными. Существующие сейчас
архитектуры требуют слишком много энергии, пространства и денег. Барьер
в 1 TFLOPS впервые преодолела система ASCI Red из Национальной
лаборатории в Сандии в 1997 году. В 2008 году IBM Roadrunner в
Национальной лаборатории в Лос-Аламосе достиг скорости 1 PFLOPS.
По словам Блэнда, Министерство энергетики США, которое финансировало
создание многих выдающихся вычислительных систем, хотело бы иметь в
своем распоряжении две машины с производительностью около 10 PFLOPS.
Но следующий этап - это система, способная выполнять в тысячу раз
больше выислительных операций по сравнению с существующими сейчас.
По всей вероятности, такие машины появятся примерно в 2018 году, если
исходить из того, что выход на новый рубеж производительности
происходит каждые десять лет или около того. Такую периодичность в
определенном смысле объясняет закон Мура, согласно которому число
транзисторов на микросхеме удваивается примерно каждые полтора года.
Однако проблемы, которые возникнут в связи с созданием систем
экзафлопного уровня, выходят за рамки этого закона.
Энергопотребление Jaguar составляет 7 МВт. Как заметил вице-президент
IBM Дейв Турек, экзафлопная система может потребовать мощности 2 ГВт.
"Это мощность средней по размеру ядерной электростанции", - заявил он.
Создатели суперкомпьютеров активно ищут пути сократить
энергопотребление. Один из возможных подходов состоит в том, чтобы
использовать гибридные подходы, которые сочетают сопроцессоры
(ускорители) с центральными процессорами.
Когда был анонсирован Roadrunner, потребляющий мощность 3,9 МВт, он
имел производительность всего 1 PFLOPS. В нем используется гибридная
архитектура, которая объединяет процессоры AMD с процессорами Cell,
имеющими девять отдельных процессорных ядер, в том числе одно ядро
PowerPC и восемь меньших сопроцессорных модулей, так называемых
синергетических процессорных элементов. Применение ускорителей,
включающих в себя процессоры графических операций и программируемые
логические матрицы, должно помочь снизить энергопотребление за счет
переноса определенной работы с центральных процессоров на устройства,
способные эффективно решать более специализированные задачи.
Предполагается, что экзафлопные системы будут содержать от 10 млн до 100 млн ядер.
"Производительность в экзафлоп потребует 100 млн ядер, и, по-видимому,
не существует никакого другого реального способа достичь этого, -
заметил Турек. – Чтобы построить столь мощную машину, исследователи
ищут оптимальную архитектуру. Но если наиболее перспективной идеей
будет признана 'гибридизация', то каким должно быть соотношение между
ядрами специального назначения и традиционными ядрами"?
Подобные системы должны будут использовать меньше оперативной памяти в
расчете на ядро и потребуют больше пропускной способности при доступе к
памяти. В системах со 100 млн ядер где-то постоянно будут возникать
сбои, поэтому, считает Турек, необходимо найти абсолютно новый подход к
созданию инструментов, которые позволят справляться с такой ситуацией.
Цель, которую ставят в IBM при разработке экзафлопных архитектур,
состоит в том, чтобы ограничить энергопотребление 20 МВт, а размер
системы – 70-80 стойками. Jaguar целиком состоит из центральных
процессоров, но Блэнд, уверенный, что будущее - за гибридными
системами, указывает на тот факт, что и Intel, и AMD разрабатывают
архитектуры, которые сочетают центральные процессоры с сопроцессорами.
Эддисон Снелл, директор исследовательской компании InterSect Research,
специализирующейся в области суперкомпьютерных вычислений, считает, что
ускорители способны предоставить огромную вычислительную мощность для
конкретных приложений, в силу чего первыми достигнут экзафлопного
уровня системы, созданные специально для определенных применений. "В
конечном итоге появятся системы общего назначения с производительностью
такого уровня, но сначала будут созданы специализированные компьютеры",
- заметил он.
Прежде чем появятся такие системы, ряды петафлопных суперкомпьютеров с
производительностью уровня петафлопа будут шириться, и, по-видимому,
будет расти и число финансируемых правительствами проектов. Fujitsu
планирует в 2011 году построить компьютер с производительностью 10
PFLOPS для японского Института физических и химических исследований, а
Китай уже располагает петафлопным компьютером. Целый ряд стран все
активнее финансирует разработку крупных систем, готовясь к
международной гонке по созданию компьютеров нового поколения, способных
решать наиболее сложные и актуальные мировые проблемы.
|
