Чи будуть альтернативні архітектури правити суперкомп'ютером?

В останні роки ми побачили нові цікаві нові підходи до високоефективних обчислень, зокрема відхилення від традиційних великих процесорів і до кластерів процесорів x86 з прискорювачами або співпроцесорами для прискорення конкретних видів розрахунків. Виходячи з шоу минулого тижня Supercomputing, ми побачили, що Intel намагається інтегрувати свій співпроцесор Xeon Phi зі своїм традиційним серверним процесором Xeon, щоб полегшити програмування; Nvidia представляє нову версію свого прискорювача GPU Tesla; і Micron підтримує зовсім інший тип процесорів для ще більш спеціалізованих обчислень. І все це відбувалося в той час, коли прискорювачі та копроцесори починають переважати у списку Топ-500 найшвидших комп'ютерів у світі, що призводить деяких експертів до думки, що існуючі орієнтири надають надто велику вагу цим процесорам.

Nvidia демонструвала свої успіхи своїми прискорювальними платами Tesla, великими кластерами графічних процесорів, підключених до основних процесорів від Intel або AMD. Такі мікросхеми використовуються в найрізноманітніших системах, включаючи систему «Титан» в Національній лабораторії «Оук-Рідж» та нову систему «Піз Дайнт» в Швейцарському національному обчислювальному центрі суперкомп'ютерів. Що ще цікавіше, компанія каже, що плати Tesla входять в топ-10 систем в останньому списку Green 500 найенергоефективніших суперкомп'ютерів у світі. Усі ці системи також використовують Intel Xeons, за винятком AMD Opteron, заснованої на Titan, яка є другою найшвидшою системою в світі в Топ-500, але займає набагато нижче місце у списку Green 500.

Крім того, Nvidia оголосила про партнерство з IBM, щоб запропонувати його прискорювачі Tesla в системах, заснованих на архітектурі IBM Power. IBM давно рекламує свої серійні показники, а його система BlueGene / Q, заснована на процесорах Power, управляє системою Sequoia в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора та системою Mira в Національній лабораторії Аргонна. Співпраця IBM та Nvidia в майбутньому має спричинити цікаві системи.

На виставці компанія анонсувала свою Tesla K40, наступне покоління своєї плати прискорювачів GPU. Компанія заявила, що запропонує 1, 4 терафлопа з продуктивністю подвійної точності, 12 Гб пам'яті (пропускна здатність 288 Гбіт / с) та функцією підвищення графічного процесора, що дозволяє їй працювати в більш швидкій тактовій швидкості в деяких ситуаціях. Це оновлення існуючої серії Tesla K20, використовуючи той самий базовий дизайн графічного процесора, який виробляється за технологією 28nm.

Інші ініціативи включають способи спрощення програмування GPU, включаючи CUDA 6, який тепер підтримує об'єднану пам'ять, дозволяючи розробникам наближатися до пам'яті як до єдиного пулу, навіть незважаючи на те, що процесор і пам'ять GPU залишаються окремими. Компанія також підтримує OpenACC, стандартну колекцію директив компілятора, яка повідомляє системі, які частини програми (написані на C / C ++ та Fortran) можуть бути завантажені з центрального процесора на прискорювач для підвищення продуктивності.

Підхід Intel, який він називає своєю архітектурою Many Integrated Core (MIC), дуже різний. Він поєднує в собі кілька маленьких ядер x86 в єдиний чіп, який називається Xeon Phi. Протягом останніх декількох років Intel обмовляє той факт, що всі x86 є полегшуючи програмування, хоча зрозуміло, що розробникам все-таки доведеться орієнтуватися на архітектуру. Поточна версія Xeon Phi, що називається Knights Corner, розроблена для використання в якості прискорювача разом з більш традиційними серверними чіпами Xeon E і використовується різними топ-системами, включаючи китайський Tianhe-2 (на даний момент найшвидша система у світі) та система Stampede в Розширеному обчислювальному центрі Техаського університету.

На виставці Intel оголосила про нову версію з кодовою назвою Knights Landing, яка також буде працювати як окремий процесор, який може вписатись у стандартну архітектуру стійки та запустити операційну систему безпосередньо, не вимагаючи хост-процесора (наприклад, Xeon E). Це може бути досить важливим для розширення привабливості Xeon Phi, особливо на ринку робочих станцій. Знову ж таки, це створено для того, щоб розробникам програмного забезпечення було легше розглядати його як єдиний процесор. Knights Landing буде доступний як як окремий процесор, так і як плата PCI Express, яка вписується в існуючі системи як оновлення від Knights Corner.

Також у Knights Landing є й інші суттєві зміни, включаючи додавання «близької пам’яті», ефективно DRAM, що пропонується в пакеті з процесором, і таким чином може забезпечити набагато більшу пропускну здатність, ніж традиційна пам'ять DDR, яка обмежена швидкістю автобус. (Це теж стає швидше, але майже не так багато.) Це не перший крок у цьому напрямку; IBM впродовж багатьох років рекламувала вбудовану DRAM в архітектурі Power, а сама Intel вкладає вбудовану DRAM для графіки у версії Iris Pro свого сімейства Haswell Core. І все-таки я здогадуюсь, що ми побачимо в цьому напрямку набагато більше зусиль у цьому напрямку.

Тим часом, один з найцікавіших нових підходів походить від Micron, який оголосив про новий прискорювач під назвою процесор Automata, призначений в основному для вирішення складних неструктурованих проблем даних.

Мікрон описав це як пропозицію тканини, що складається з десятків тисяч до мільйонів елементів обробки, пов'язаних для вирішення конкретних завдань. Компанія, один з найбільших виробників пам'яті DRAM та NAND, каже, що це використовуватиме обробку на основі пам'яті для вирішення складних обчислювальних завдань у таких сферах, як мережева безпека, біоінформатика, обробка зображень та аналітика. Micron спочатку поширюватиме процесор Automata на платі PCI-Express, щоб розробники працювали з ним, але компанія планує продавати процесори на стандартних модулях пам'яті, відомих як DIMM, або в якості окремих мікросхем для вбудованих систем. Деяким чином це звучить схоже на програмовані на місцях масиви воріт (FPGA), які налаштовані на вирішення конкретних програм, що включають відповідність шаблонів.

Компанія заявила, що співпрацює з Georgia Tech, Університетом Міссурі та Університетом Вірджинії, щоб розробити нові програми для Automata. Незважаючи на те, що компанія не оголосила дату кінцевої продукції, набір програм для розробки програмного забезпечення планується випустити наступного року разом із інструментами моделювання.

Автоматичні дані звучать як незавершена робота, і, мабуть, ще зарано знати, наскільки широкі програми, але це цікавий підхід.

Загалом ми спостерігаємо еволюцію високоефективних обчислень. Не дуже багато років тому найшвидшими комп'ютерами були переважно величезна кількість стандартних серверних процесорів. Дійсно, системи IBM Blue Gene і ті, що базуються на Sparc (наприклад, комп'ютер K в Інституті обчислювальної техніки RIKEN в Японії, який використовує процесори Fujitsu Sparc), як і раніше, становлять значну частину ринку, включаючи п'ять з 10 найшвидших систем у світі. Але в останні роки, імпульс змінився до копроцесора, і системи, що використовують Tesla та новітні прискорювачі Xeon Phi, складають більше нових систем. З вдосконаленнями цих систем, нових партнерських відносин, кращого програмного забезпечення та нових підходів, ринок суперкомп'ютерів може бути дуже різним у майбутньому.