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不同路线的较量:中美新超算哪家强
关键字: 中国超算天河二号天河2号HPC China 2015国防科大曙光11月16日,新一期全球超级计算机500强榜单在美国公布,中国“天河二号”超级计算机连续六度称雄。回想今年4月,美国对中国数家机构禁售至强PHI计算卡。就当很多舆论认为天河超算将遭遇劫难之时,国防科大接连对外发布足以替代E5的“火星”和可以替代至强PHI的矩阵2000,既是向美国禁售至强PHI的亮剑,也是公开了天河超算将来的发展方向——矩阵2000替代至强PHI,实现自主创新,走一条以往没人走过的GPDSP路线。
所谓GPDSP,是通用数字信号处理器,用于高速、实时的信号处理,有非常高的双精浮点性能,国防科大正是将其作为超算的加速器。
笔者日前采访了中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉,他指出,中国新一代超算在性能上是可以与美国超算匹敌的,但在实际应用水平上还有差距。因为采访机会难得,没有谈许多读者关心的基础知识,这里做些补充,以便读者能理解,相对于美国走GPGPU路线的新超算,即利用GPU很高的双精浮点性能在超算中充当加速器,中国走GPDSP路线到底孰优孰劣。
同构计算和异构计算
不同加速器的选择,导致中美超算的不同发展路线。那么为什么要用到加速器呢?
超算可以分为两种架构。采用同构计算架构的超算只需要单纯使用一种处理器,在同一类型的处理器上执行计算任务。举例来说,日本超算“京”采用的处理器是富士通的Sparc64-VIIIfx,中国的全国产超算神威蓝光采用了申威1600,美国的Mira和Sequoia采用了PowerPC-A2处理器,这些超算都没有采用GPU或其它类型的众核芯片等加速器。日本富士通的京,美国IBM的Mira和Sequoia,中国的神威蓝光都是采用同构计算架构超算的代表。
日本超算“京”
IBM的Sequoia
而异构计算要使用不同类型的处理器来处理不同类型的计算任务。常见的计算单元包括CPU、GPGPU、GPDSP、ASIC、FPGA和其它类型的众核处理器等。异构计算是一种分布式计算,它或是用能同时支持SIMD方式和MIMD方式的单个独立计算机,或是用由高速网络互连的一组独立计算机来完成计算任务。采用异构计算架构的超算会使用至少2种类型的处理器,其中异构计算架构中通用CPU负责逻辑复杂的调度和串行任务,加速器负责并行度高的任务,实现计算加速。具体来说,采用异构计算架构的超算在运算中既使用处理器,又使用GPU或众核芯片等加速器。以美国泰坦和中国天河2号为例,泰坦有18688个运算节点,每个运算节点由1个16核心AMD-Opteron-6274处理器和1个NVIDIA-Tesla-K20加速器组成,共计299008个运算核心;天河2号有16000个计算节点,每个节点由2片Intel-E5-2692和3片Xeon-Phi组成,共使用了32000片Intel-E5-2692和48000片Xeon-Phi。除了泰坦和天河2号之外,曙光6000和天河1号也采用的是异构计算架构。
美国泰坦
异构计算的优势
因超算大多应用于金融、制造、能源、科研和军事等领域,对双精浮点要求较高。采用GPGPU或众核芯片做加速器,一方面可以获得很高的浮点性能,另一方面可以获得不错的性能-功耗比。以天河2号的一个计算节点为例:
Xeon-E5的满载功耗达145W,双精浮点为0.21TFlops,而Xeon-PHI功耗300W,双精浮点达1T Flops;天河2号一个计算节点由2片Xeon-E5和3片Xeon-PHI组成,理论双精浮点性能为3.42T Flops,功耗为1190W,理论双精浮点性能与功耗的比值为2.87GFlops/W。相同功耗下使用8片Xeon-E5只能获得1696Gflops的理论双精浮点性能,理论双精浮点性能与功耗的比值为1.42GFlops/W。从数据可以看出,在同等功耗下,在使用Xeon-PHI加速后,理论双精浮点性能与是只使用Xeon-E5的2倍。
因此,相同功耗的情况下,异构计算能获得非常高的理论双精浮点性能。
诚然,有得必有失,在获得性能优势的同时,也不可避免的会导致编程方面的困难。具体来说,用GPU做加速器的话,会因为GPU和CPU的编程模型不一致,导致在编程上不如采用同构技术(e.g. 纯CPU)的超算方便,在通用性方面也会稍逊一筹。
总之,同构计算编程方便、效率高、通用性强;异构计算编程麻烦、效率不如同构超算、通用性差,但是性能-功耗比高。因此虽然在通用性和效率方面相比采用同构计算的超算处于劣势,但更加好的性能-功耗比成为其更受偏爱的原因。天河2号、天河1号、曙光6000等超算都采用了异构计算架构。
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- 责任编辑:孙武
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