高性能模式和均衡模式_高性能計(jì)算：走向均衡時(shí)代

1、第 31 屆國際高性能計(jì)算機(jī)（ HPC）Top 500 榜單于日前揭曉。不僅有世界 上第一臺(tái)計(jì)算性能超過 1000 萬億次的系統(tǒng)面世， Top 500 更增加了能耗比這一 項(xiàng)最新的指標(biāo)。這表明國際高性能計(jì)算已經(jīng)走向兼顧性能和能源效率這一更加均 衡的時(shí)代。榜單概況從最新的 Top 500 排行榜上看，美國依然處于絕對領(lǐng)先的地位，有 257 套 系統(tǒng)上榜，在 Top 10 中占 6套，其中前 5套竟然全部安裝在美國。中國有 12 套系統(tǒng)上榜，上榜數(shù)量相比去年 11 月的 10套小幅上升，但性能最好的勝利油田 系統(tǒng)僅位列第 111 位，排名比去年有所下降。從供應(yīng)商角度看， IBM 和 HP 成為最主

2、要的 HPC 提供商，分別有 209 套和 183 套上榜，運(yùn)算總性能分別達(dá)到 Top 500 的 47 和 24 ，優(yōu)勢明顯。從上榜系統(tǒng)來看， Top 500 采用的主處理器主要集中于 Intel 、IBM 和 AMD 三家。其中基于 IA 架構(gòu)（ Intel 架構(gòu)）的有 257 套，基于 4 核至強(qiáng)處理器的系統(tǒng) 從0增長到161套。而基于AMD處理器的系統(tǒng)大幅減少，采用 Sun和Alpha 處理器的機(jī)器已經(jīng)徹底從 Top 500 上消失。千萬億次 :平淡中的驚喜新的排行最引人關(guān)注的是 IBM Roadrunner 系統(tǒng)以 1026TFlops （峰值性能 1376 TFlops ）的性能超

3、過了從 2004 年 11 月以來就排名 Top 500 首位的 BlueGene/L （藍(lán)色基因 /L ）系統(tǒng)，并成為 Top 500 歷史上第一套 Linpack 運(yùn)算 能力達(dá)到1千萬億次（Ipetaflops ）的系統(tǒng)。Roadrunner系統(tǒng)由6480個(gè)Opteron 處理器和 12960 個(gè) Cell 處理器組成，造價(jià) 2 億美元，重達(dá) 250 噸。不過值得注意的是， Opteron 處理器只提供了 44Tflops 的運(yùn)算能力，而 Cell 芯片則貢獻(xiàn)了 1332Tflops （峰值）的性能，因此，在 Top 500 官方網(wǎng)站上將其 系統(tǒng)處理器的類型設(shè)定為 Power 系列也就不足

4、為奇了。Roadrunner 采用的是集群（ Cluster ）結(jié)構(gòu)，并沒有什么新奇，但混合結(jié)構(gòu) 帶來的 Linpack 性能提升還是非常明顯的。盡管性能可觀，這種系統(tǒng)的性能發(fā)揮 則需要依賴高效的軟件系統(tǒng)，其復(fù)雜性可能給其應(yīng)用帶來一定的局限性。連 Roadrunner 的首席工程師也承認(rèn)，后續(xù)版本將推出新的編程語言和實(shí)時(shí)編譯器 技術(shù)以進(jìn)一步完善整個(gè)系統(tǒng)。首次引入能耗指標(biāo)與 HPC 跨越千萬億級(jí)相比同樣引人關(guān)注的是，本次 Top 500 還引入了系統(tǒng) 能耗這一新的指標(biāo)。 Top 500 評(píng)委會(huì)要求系統(tǒng)擁有者測試系統(tǒng)在運(yùn)行 Linpack 程 序時(shí)的這一數(shù)值。而性能與系統(tǒng)能耗的比值一一能效值更能體

5、現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。不過，由于能 效值受系統(tǒng)整體功耗、 Linpack 效率、并行規(guī)模、測量方式等很多因素影響，目 前還很難有一個(gè)很科學(xué)、公平的衡量方式，因此，本次 Top 500 并未統(tǒng)一給出這 一指標(biāo)。但 Top 500 還是統(tǒng)計(jì)出了能效最高的一些系統(tǒng)單元。IBM 的 Cell 刀片系統(tǒng) QS22 能效值達(dá)到 488Mflops/s/W 居首， BlueGene/P 系統(tǒng)為 371Mflops/s/W ，緊隨其后的是基于 Intel Harpertown 的四核系統(tǒng)， 包 括 IBM 的 BaldeCenter HS21 （低電壓至強(qiáng)）、SGI Altix ICE 8200EX 和 HP 3

6、000 系列 BL2 X220，能效值分別為 265 Mflops/s/W 、240 Mflops/s/W 和 227 Mflops/s/W ，這已經(jīng)超越了 IBM BlueGene/L 系統(tǒng)的 210 Mflops/s/W 。從中可以看出，采用低電壓處理器和刀片單元成為高能效系統(tǒng)重要的保證， 這一點(diǎn)對于大規(guī)模的 HPC 系統(tǒng)來講尤其重要。系統(tǒng)均衡性更加重要高性能計(jì)算從原理上來分主要有容量計(jì)算和能力計(jì)算兩大類，這兩種類型的 計(jì)算對于系統(tǒng)的要求是完全不同的。因此，節(jié)點(diǎn)機(jī)處理器的性能、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、存 儲(chǔ) I/O 表現(xiàn)，都會(huì)直接影響到系統(tǒng)的最終性能。選擇與應(yīng)用匹配的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是至關(guān)重要的。 隨著節(jié)點(diǎn)

7、機(jī)處理能力的上升， 快速的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)表現(xiàn)的影響越來越重要。 從此次上榜的高性能計(jì)算機(jī)來看， 采用 Infiniband 互聯(lián)的系統(tǒng)達(dá)到了 121 套，僅次于采用千兆以太網(wǎng)的 284 套 其中排名首位的 Roadrunner 即采用了 Infiniband 。而大多數(shù) Linpack 效率高的系統(tǒng)也都采用了 Infiniband 互聯(lián)架構(gòu)（除專用結(jié)構(gòu)外） 。通用與專用加速在性能和功耗的雙重壓力下， HPC 的計(jì)算系統(tǒng)面臨著全面的升級(jí)。在主芯片層面，處理器的多核化是實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗的最重要手段；而刀 片服務(wù)器和加速器作為節(jié)點(diǎn)機(jī)的應(yīng)用預(yù)計(jì)也將會(huì)越來越多。所謂的加速器，是指分解出算法的某些部分，

8、在特定硬件上運(yùn)行，利用其高 度并行化和硬件結(jié)構(gòu)簡單因而能耗低的優(yōu)勢以大幅提高系統(tǒng)能耗比，從而提高計(jì) 算效率。 比較典型的加速器是 FPGA 器件和 GPU，Roadrunner 系統(tǒng)采用的 Cell 處理器也可以被看做是某種類型的加速器。盡管加速器作為單體來看確實(shí)能夠大幅提高節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的計(jì)算效率，但這些特殊結(jié)構(gòu)給高性能系統(tǒng)整體帶來的影響可能非常復(fù)雜。指令集匹配、混合編程和與其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)都是可以想像得到的難題。從目前來看，這些加速器的使用還是在特定的領(lǐng)域和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較現(xiàn)實(shí)。不過，隨著多核處理器、互聯(lián)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，這些特定加速器的效能會(huì)逐漸激發(fā)出來，某些專用加速器 甚至可能會(huì)成為

9、通用處理器的一部分，其可用性也會(huì)逐步提高未來的方向盡管 Top500 被作為全球高性能領(lǐng)域最權(quán)威的榜單，但也并不能夠完全反映 高性能計(jì)算在更廣大市場的應(yīng)用發(fā)展方向。拋開單純的硬件性能，系統(tǒng)復(fù)雜、對 軟件和應(yīng)用開發(fā)要求高甚至成本這些非技術(shù)因素都影響著 HPC 系統(tǒng)的普及推廣， 這也是 IBM 的 BlueGene 和 Cray XT3/XT4 等定制系統(tǒng)并未在中低端市場應(yīng)用的 一個(gè)重要原因。而高性能計(jì)算的商業(yè)化應(yīng)用越來越廣泛是一個(gè)不爭的事實(shí)。多核和混合異構(gòu)系統(tǒng)是今后 HPC 系統(tǒng)提高性能、降低功耗很重要的技術(shù)手 段，但其面臨的軟件挑戰(zhàn)是相當(dāng)嚴(yán)峻的。不過，業(yè)界還會(huì)沿著這條道路不斷地努 力下去，畢竟