Основные положения программы UHPC

Программа DARPA UHPC

Программа DARPA UHPC («вездесущие» супервычисления UHPC (Ubiquitous High Performance Computing) предусматривает создание принципиально новых высокопроизводительных компьютеров экзафлопсного уровня и определяет направления работ в области суперкомпьютеров до 2020 года.

В этой программе ставится задача разработки новых комплексных технологий, позволяющих создать единую линейку унифицированных систем c удельной эффективностью реальной производительности около 50 GFLOPS/Вт при автономном охлаждении и общем энергопотреблении не более 57 кВт, начиная от одноплатных модулей бортовых комплексов до крупномасштабной стойки (1 PFLOPS на стойку). Такой показатель на два-три порядка превышает параметры всех ныне существующих компьютерных систем; например, лучшие суперкомпьютеры списка TOP500 с июня 2008 по ноябрь 2010 года были в диапазоне от 0,25 до 0,62 GFLOPS/Вт.

Для рекордных образцов суперкомпьютеров предыдущее увеличение этого показателя в 100 раз было достигнуто за 20 лет, когда закон Мура еще непосредственно влиял на повышение производительности.

В соответствии с программой UHPC, следующий рывок по стократному увеличению производительности предстоит выполнить немногим более чем за пять лет, причем когда закон Mура будет действовать лишь благодаря росту количества ядер.

Приведенные данные по удельной эффективности относились к тесту Linpack, выполнявшемуся на суперкомпьютерах с большим количеством процессоров, и, хотя реальная производительность на этом тесте обычно близка к пиковой, на деле она меньше из-за накладных расходов на организацию параллельного счета. Если эти потери не учитывать и даже рассмотреть считающиеся лучшими по удельной эффективности процессоры, то оценки удельного энергопотребления современных систем весьма низки. Например, для графического процессора Fermi это около 2 GFLOPS/Вт, а для процессоров встроенных систем — около 1 GFLOPS/Вт.

В программе UHPC выделены следующие основные проблемы, которые предстоит решить при создании перспективных вычислительных систем различного касса:

· проблема потребления энергии;

· проблема устойчивости вычислительных систем как к обычным сбоям и отказам, так и к информационным атакам;

· проблема производительности при разработке программ.

В программе также указаны характерные черты приложений, которые предполагается выполнять на системах, созданных в рамках программы UHPC:

· обработка массовых потоковых данных от сенсорных устройств;

· работа с большими динамическими графами;

· поддержка принятия решений.

Такие особенности приложений значительно усложняют архитектуру системы, поскольку в точности соответствуют задачам, предусматривающим интенсивную работу с данными (DIC-задачи), главным препятствием к эффективному решению которых, как известно, является проблема преодоления “стены памяти”, так и не решенная в рамках программы HPCS.

С 2010 г. началось внедрение результатов программы HPCS — суперкомпьютеров Cray Baker (Cray ХЕ-6), Blue Waters, а также Cray Granite c векторно-мультитредовым сопроцессором SCORPIO и коммуникационной сетью нового поколения Aries.

Программу UHPC можно считать продолжением программы HPCS, но уже с новой целью – достижением реальной экзафлопсной производительности и преодолением «стены памяти» с дополнительным условием жестких ограничений по энергетике. Принципиально новым в программе является то, что ее цели планируется достигать путем развития технологий встроенных систем, для которых в первую очередь требуется энергетическая экономичность и которые, согласно новой доктрине, имеют наивысший приоритет.

Экзафлопсный барьер: проблемы и решения

Концептуальная проработка вопросов создания после 2015 года суперкомпьютеров экзафлопсного уровня производительности показывает, что применение экстенсивных методов повышения производительности, как это наблюдалось до недавних пор ничего не даст.

Исключительность проблем, которые предстоит решить в связи с созданием суперкомпьютеров экзафлопсного уровня, определяют следующие обстоятельства:

прекращение прямого влияния закона Мура на производительность ядер процессоров из-за невозможности дальнейшего увеличения тактовой частоты и параллелизма выполнения машинных команд;

жесткие ограничения по потребляемой энергии, с которыми разработчики столкнулись впервые за последние 15 лет;

проблема «стены памяти», к преодолению которой в середине прошлого десятилетия приступили в рамках проектов создания перспективных петафлопсных суперкомпьютеров.

В работах по экзафлопсной тематике, как и по суперкомпьютерам вообще, выделяют два направления:

первое направление - эволюционное развитие суперкомпьютеров. Предполагается быстрое получение результатов (модели Cray XT, IBM BlueGene);

второе направление - революционное. В этом направлении проблема рассматривается глубже, планируется создание уже в ближайшие годы петафлопсных суперкомпьютеров, способных эффективно решать широкий класс задач, среди которых выделяются задачи, работающие с огромными объемами памяти и имеющие плохую пространственно-временную локализацию обращений к ней. Данное направление активно поддерживается военными кругами и спецслужбами, в его рамках применяются новые технологии, архитектурные и программные решения. Так происходит сейчас при создании петафлопсной техники, так будет и при создании экзафлопсных систем.

Исторически при разработке петафлопсных систем эволюционные методы сработали раньше за счет быстрого и успешного внедрения универсальных процессоров с однородной многоядерностью – барьер реальной производительности 1 PFLOPS был преодолен через четыре года после начала эволюционной программы, в ноябре 2008 года, на суперкомпьютере Jaguar (Сray XT5). В 2009 году Jaguar был модернизирован введением 12-ядерных процессоров AMD Magny Cours и доведен до пиковой производительности в 2,3 PFLOPS.

Будет ли такой же ступенчатой картина развития экзафлопсных систем и станет ли таким же успешным эволюционный метод повышения производительности за счет естественного роста однородной многоядерности процессоров общего назначения?

Заявляя о программах создания экзафлопсных систем, обычно представляют системы, содержащие от нескольких сотен до тысячи стоек, с развиваемой производительностью хотя бы на задаче Linpack в 10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду (EFLOPS). Однако задача намного глубже, и сейчас, во всяком случае в программах DARPA, она ставится шире, предусматривая создание следующих систем:

экзафлопсные системы для государственных лабораторий и центров, которые могут развивать реальную производительность в 1 EFLOPS, что в 1000 раз превосходит современные системы петафлопсного уровня производительности;

петафлопсные системы масштаба предприятия, которые благодаря применению новых экзафлопсных технологий станут значительно компактнее и будут потреблять меньше электроэнергии, размещаясь в нескольких стандартных стойках;

терафлопсные системы встроенного типа на базе нескольких чипов, потребляющих несколько десятков ватт электроэнергии. В системах всех трех классов предполагается использовать одинаковые технологии, ключевые для систем первого класса.

Дата добавления: 2014-01-04