浪潮HPC助力超導替代硅晶圓做芯片

　　在硅晶圓技術(shù)逐漸接近極限的今天，人們開(kāi)始關(guān)注下一代計算機芯片將會(huì )采用什么材料來(lái)制作?相比量子計算機、光計算機、DNA計算機等更加超前的概念，超導計算機的可行性要大得多。日前，上海超導科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海超導)開(kāi)始利用浪潮TS10000高性能計算集群，開(kāi)發(fā)新型的超導芯片。

　　神奇的超導計算機

　　目前制成的超導開(kāi)關(guān)器件，其理論上開(kāi)關(guān)動(dòng)作所需時(shí)間為千億分之一秒，是當今所有電子、半導體、光電器件都無(wú)法比擬的。這意味著(zhù)超導計算機的運算速度將比現在的電子計算機快100倍，而電能消耗僅是電子計算機的千分之一。打個(gè)比方，如果目前一臺大中型計算機每小時(shí)耗電10千瓦，那么同樣計算力的超導計算機只需一節干電池就可以工作了，并且體積也只有原來(lái)的幾十分之一。

　　不過(guò)，超導計算機的實(shí)現還有待于科學(xué)家們對高溫乃至常溫超導材料的研究。目前，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體，但這些超導材料最高的超導臨界溫度也要在零下140度以上?？茖W(xué)家們期望尋找到成本低廉的常溫超導材料，利用它制成超導開(kāi)關(guān)器件和超導存貯器，再利用這些器件制成超導計算機，從而改變整個(gè)計算機的世界。

　　胖瘦結合，加速超導芯片研究

　　超導材料的研究離不開(kāi)高性能計算機。不過(guò)，超導材料理論較為復雜，從原理上決定了對高性能計算的要求不盡相同，如Materials Studio、ADF、PWSCF等計算方法對CPU主頻和內存帶寬要求比較高，而量化計算Gaussian則對共享內存并行效率有更高要求，需要SMP胖節點(diǎn)服務(wù)器。

　　根據上海超導的應用需求，浪潮按需定制了基于英特爾?至強?E5-2600V3系列的高性能天梭TS10000集群系統，整套系統采用胖瘦節點(diǎn)分工、高速網(wǎng)絡(luò )和存儲結合的設計。其中，瘦計算節點(diǎn)為滿(mǎn)足高主頻和大內存MPI并行計算應用需求，使用了浪潮2U雙路機架服務(wù)器NF5280M4，配置了2.5 GHz主頻、十二核心的E5-2680v3處理器，單節點(diǎn)128G內存，可輕松處理普通計算任務(wù)。而像Gaussian、ATK/VNL、MedeA等應用，隨著(zhù)計算規模的擴大，對內存的需求將隨基函數數量的平方而增加，特別是支持Open-MP和TPC-Linda兩種并行方式的Gaussian，在選擇MP2計算方法時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量臨時(shí)文件常駐內存，通用計算節點(diǎn)將很難完成數據處理工作。為此，浪潮提供4U機架式服務(wù)器NF8460M3作為胖計算節點(diǎn)，配置4顆E7-4820v2處理器，內存可擴展至2TB，滿(mǎn)足了大內存并行計算的需求。

　　存儲系統采用浪潮TStor500存儲系統，提供3GB/s的聚合帶寬，在滿(mǎn)足Gaussian MP2等計算方法對較高IO帶寬要求的同時(shí)，也讓整個(gè)系統數以千計的客戶(hù)端、服務(wù)器和存儲設備之間實(shí)現了完全并行。同時(shí)，元數據服務(wù)器和對象數據存儲服務(wù)器在不同的服務(wù)器，兩個(gè)對象存儲服務(wù)器采用Actice-Active方式運行：元數據存儲陣列采用浪潮光纖存儲AS500H，兩個(gè)MDS元數據節點(diǎn)保障HA高可用;數據存儲節點(diǎn)采用浪潮4U機架式服務(wù)器SA5224H，全部采用高性能專(zhuān)用處理器，集成BMC智能控制芯片。為了與高速存儲相匹配，整個(gè)集群采用56Gb/s FDR端到端的IB交換機，在1U空間提供36端口互聯(lián)所有計算節點(diǎn)、管理節點(diǎn)、登錄節點(diǎn)和存儲系統，實(shí)現了超高的MPI信息傳輸率及微妙級的點(diǎn)對點(diǎn)延遲，提供更好的應用程序計算性能。

　　元數據服務(wù)器、對象存儲服務(wù)器和客戶(hù)端可以分別運行于獨立的操作系統中，也可以運行于一個(gè)操作系統內部。最優(yōu)的解決方案是元數據服務(wù)器位于一個(gè)單獨的服務(wù)器中，對一個(gè)元數據存儲對象提供服務(wù)，單獨的對象存儲服務(wù)器為多個(gè)對象存儲對象提供服務(wù)，客戶(hù)端也位于單獨的服務(wù)器。其結構如下圖所示，圖中為一個(gè)元數據服務(wù)器，一個(gè)對象存儲服務(wù)器，和一個(gè)客戶(hù)端的示意圖，元數據服務(wù)器服務(wù)于一個(gè)元數據存儲對象，對象存儲服務(wù)器服務(wù)于三個(gè)目標存儲對象。

　　浪潮還為并行存儲系統配備了自主開(kāi)發(fā)的智能化、專(zhuān)用定制化的存儲管理界面，支持圖形化界面顯示，支持圖形化安裝與部署，可實(shí)現存儲資源的量化和用戶(hù)配額制。

　　此外，浪潮還為用戶(hù)配置了Cluster Engine云服務(wù)平臺及集群部署還原軟件，讓用戶(hù)管理整套集群系統就像管理一臺計算機一樣方便。

　　“胖瘦組合計算模式”化解超導應用難題 ，多個(gè)超導科學(xué)領(lǐng)域專(zhuān)家在經(jīng)過(guò)實(shí)際測試后，認為浪潮為上海超導量身定制的高性能集群提供了充足的總體計算能力，節點(diǎn)間的數據交換和系統的I/O帶寬加速效果明顯，系統可擴展性得到充分保障。同時(shí)，浪潮針對實(shí)際運算需求開(kāi)發(fā)的不同級別的軟件應用，促進(jìn)了系統內部服務(wù)器、存儲、應用之間最大限度趨近協(xié)同運算，顯著(zhù)提高了超導材料研究應用的運行效率。