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如何提升超算系统的“使用面积”?
2017-06-22
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“快点,快点,再快点”,张小飞正一脸焦急的看着电脑屏幕,嘴里也不住的嘟囔着。

不知情的人以为他在看某个体育赛事的直播,但其实他对面的电脑屏幕上只有黑白两种颜色——纯黑的背景下,白色的光标一闪一闪,除此之外再没有其他的内容。

作为中国科学技术大学(以下简称“中科大”)下辖计算机科学与技术学院的一名普通学生,张小飞正在利用自己的笔记本电脑进行毕业设计。可惜的是,他那台电脑别说是专业计算,就是日常跟寝室同学们开LOL的时候都卡得不行。

也就是在张小飞焦急的同时,中科大的超级计算中心新采购了一批设备,使得超级计算机的性能有了质的飞跃……

提起中科大,许多人都不会觉得陌生。在中国,一线城市往往具备了更好的教育资源,北京有清华北大,上海有复旦交大,广州有中山大学,那么合肥呢?对于地处中国内陆的合肥来说,它在教育上的实力丝毫不逊色于以上的一线城市,这里的中国科学技术大学同样是中国的顶尖学府,甚至早在上世纪的90年代,“中科大少年班”这个名字就已经是家喻户晓、妇孺皆知。

作为中国科学技术的巨擎,中科大一直不愧于自己的名称。就以计算机系来说,早在多年前,中科大的队伍就已经角逐与国际舞台中,并且在去年取得了全球超算竞赛的冠军。可以说,在超算的研究与应用方面,中科大一直走在行业的前列。

为了更好的了解并应用超级计算机,早在多年前,中科大超级计算中心就曾经购买过曙光TC4600百万亿次系统,实现了超算的初步应用。而就在不久前,中科大更是将这套系统实现了扩容与升级。相对于前几年基于至强E5平台的超算来说,本次扩容除了在计算能力(核心数量)上进行了升级之外,还侧重于网络的互联互通和存储能力的优化。可以说,针对当下超算的应用需求,中科大已经有了明确的部署。

这样一来,中科大的超算系统相比以往有了明显的提升,扩容后共有506个计算节点,12200颗CPU核心,512颗Intel Xeon Phi融核(MIC)KNL核心和39936颗NVIDIA CUDA核心,总双精度峰值计算能力为每秒519万亿次(CPU:482.82万亿次/秒,GPU:14.96万亿次/秒,Intel Xeon Phi融核:21.28万亿次/秒)。

更重要的是,中科大引入了目前业内独家的、采用Multi-Host InfiniBand技术的M-Pro计算节点,共有40台。

在去年的ISC16上,曙光正式推出了M-Pro平台。考虑到高性能应用对于处理器主频的依赖特征,曙光大胆的采用了高主频的至强E3系列处理器,动辄就能达到3GHz以上,接近4GHz的频率,平均每核的内存带宽也明显高于常用的至强E5平台。结合Multi-Host InfiniBand技术,在保证低延迟、高带宽的前提下,提供更快、更均衡的并行通信性能,对计算、访存、网络通信密集的并行应用程序,能起到立竿见影的加速效果。

M-Pro的特色还不仅限于此。

对于整个服务器行业来说,我们最初采用标准服务器搭建超级计算机,后来出现了高密度的刀片服务器、再后来出现了整机柜类型的产品。可以说,随着服务器外型的不断演进,我们对于超算的性能有了更多的依赖,搭建超算的方式也五花八门,甚至还用上的液冷散热系统。但是很不幸的是,这些变化并未从本质带来任何的推动力。

超算的本质主要是计算,我们所希望的就是如何提升超算的计算能力。当然,这些事情由包括英特尔、NVIDIA在内的许多厂商操心着,它们一方面推出更高主频、更多核心、更先进制程的产品,另一方面也在软件层面实现不断的优化,让软硬件更加协同,发挥更大的作用。

但这一切似乎都还不够。了解高性能计算的都知道,所谓理论峰值只是系统的最大潜力,但是在日常使用中我们获得的性能却要大大折扣。这其中,一方面是计算平台本身的性能不够强劲,另一方面则是传输过程中造成的资源闲置与浪费。这个好比是买房时候的建筑面积和使用面积的区别,很多时候我们买了100平米的房子,但是实际的使用面积可能只有70多平米,甚至更低一些。

M-Pro存在的价值,就是提升你这个房子的使用面积。

在一个复杂的超算系统中,存在着许多的节点,但是每个节点的处理器浮点峰值利用率都不高、不均匀。这就好比看起来每个节点的“建筑面积”很大,但是实际使用起来的空间却很小,运算的速度很慢、处理器的利用率很低,造成了大量的限制和浪费。

M-Pro存在的意义就在于改善了资源的利用率,不追求建筑面积,而是追求使用面积。提高单CPU核的计算、访存性能,是提高应用性能最直接的手段,同时,通过Multi-HostInfiniBand共享技术,让每颗处理器在做并行计算通信时处于完全对等和均衡的状态,能明显提升应用的并行效率。

这是一种前所未有的共享架构,也是M-Pro划时代的意义所在。按照曙光高性能计算产品事业部总经理李斌的话说,M-Pro更大的意义在于颠覆性。“这不是一款“主流”的的产品,甚至看起来有些逆流而动,但是你不可否认它有着广泛的适应性和出色的性能和性价比。”

事实也是如此。在整个产业依然按照摩尔定律前进、所有人都在看重处理器核心数量的今天,M-Pro的出现更像是一股清流。它破天荒的不再将核心数量和理论计算峰值作为应用的依据,而是通过最直接的手段去提高实际应用性能。针对当前高性能应用的并行效率与向量化优化程度有限,且优化越来越难的难题,M-Pro能够让程序在CPU主频更高、单核计算、访存和网络性能更好的平台上运行,使用更少的资源达到更高的性能,提高了资源的利用率。

根据相关的测试数据,M-Pro 架构服务器相比普通双路计算节点实测应用性能显著提高。如VASP, OpenMX, Quantum Espresso, CPMD, Lammps, Fluent、CFX、WRF等的 测试数据展现了150%-200%的性能提升。从成本角度来说,至少为客户节省30%-50%的设备购置投入。

在曙光内部,M-Pro被亲切的称为“小钢炮”,李斌对它的定义有7个字——经济实惠威力大。如今,“小钢炮”已经广泛应用在科研、教育、制造、气象、环境等各个领域中,为越来越多的用户带来性能上的进一步优化与提升,帮助他们节省成本,实现高效的超算应用。

PS:(文中张小飞为化名)

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