國內最快HPC背后懸疑獲解

曙光５０００Ａ多網(wǎng)合一體系結構圖

　　繼曙光4000A成功“服役”之后，新一代機型曙光5000A再次落戶(hù)上海超算中心。這一代HPC相比前代機型的性能提高了一個(gè)數量級，其系統峰值運算速度達到230TFLOPS，是目前國內速度最快的商用高性能計算機系統。它的技術(shù)創(chuàng )新如何體現，曙光又如何看待未來(lái)HPC的技術(shù)發(fā)展，日前，曙光副總裁聶華與記者交流了曙光5000A背后的故事。

　　曙光怎樣設計５０００Ａ

　　曙光5000A的技術(shù)參數已在發(fā)布時(shí)曝光，可具體技術(shù)細節卻鮮有透露。聶華介紹說(shuō)，曙光5000A的結構非常簡(jiǎn)練，高性能計算機是用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )將很多計算單元耦合在一起的，為了增加耦合效率，設計廠(chǎng)商曾構建了管理網(wǎng)絡(luò )、存儲網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)絡(luò )等各種網(wǎng)絡(luò )。這一次，曙光5000A極大簡(jiǎn)化了整體網(wǎng)絡(luò )結構，實(shí)現了多網(wǎng)合一。其體系結構也不同于傳統集群或架構巨量平行處理架構（MPP），曙光提出超并行體系處理架構（HPP），除結合集群結構易擴展、易編程的優(yōu)勢外，還在高密度、高性能和耦合方面有了突出進(jìn)展。

　　硬件架構之上是軟件結構，軟件才是用戶(hù)運用高性能計算機的窗口。從基礎部件層、系統軟件層等底層開(kāi)始，曙光5000A搭建了一個(gè)9層的軟件架構，從域服務(wù)、資源調度、安全等層次進(jìn)行有機組合。在應用層，曙光5000A擁有豐富的科學(xué)計算、商業(yè)計算以及信息化應用軟件，為用戶(hù)提供了實(shí)用基礎。

　　除了架構創(chuàng )新之外，曙光5000A的另一項引人關(guān)注的技術(shù)創(chuàng )新是高密度刀片服務(wù)器，這是曙光5000A最核心的計算單元。該刀片總體架構為7U架構，里面有10片計算刀片。值得強調的是，每片刀片集成了4路SMP的4核處理器，這就構成了7U空間共計160核的超高密度設計，為常見(jiàn)1U服務(wù)器密度2.86倍。在刀片當中，它還整合了網(wǎng)絡(luò )模塊、管理模塊、IOE擴展模塊和冗余電源模塊，尤其是內置DDR Infiniband HCA和交換模塊，這是曙光創(chuàng )新的設計。這樣，相鄰結點(diǎn)MPI延遲為1.6us左右，而普通DDR交換機為3us以上，這一延遲直接影響著(zhù)提升并行效率。同時(shí)，在內置之后，系統減少了50%的高速I(mǎi)B線(xiàn)纜的數量，大量IB連線(xiàn)對現階段構建大規模集成網(wǎng)構成了威脅，銅纜容易形成不穩定連接。因此，盡可能減少高速I(mǎi)B連線(xiàn)的數量，對于提高IB穩定性來(lái)說(shuō)意義很大。進(jìn)一步設想，整個(gè)系統還提供10個(gè)PCI-E 8X IO擴展插槽，雖然這些插槽目前處于閑置狀態(tài)，但如果都插上加速卡，就可以針對特別應用構建專(zhuān)用系統，這將帶來(lái)廣闊的應用擴展空間。

　　胖節點(diǎn)則為計算子系統解決更具挑戰性的問(wèn)題提供了保障。曙光配置了大約1/10規模的胖節點(diǎn)，與4路SMP結構運算節點(diǎn)配合。在4路計算刀片中，每個(gè)核可以進(jìn)行64GB直接內存尋址，這意味著(zhù)具有挑戰性的一些工程計算程序可以更好地運行，胖節點(diǎn)則使每個(gè)核訪(fǎng)問(wèn)128GB內存成為可能。胖節點(diǎn)采用了改進(jìn)的8路SMP處理結構，8個(gè)處理器之間實(shí)現交叉互聯(lián)，實(shí)現了每個(gè)刀片32個(gè)核的SMP擴展。曙光不只實(shí)現了設計峰值的高性能，也非常注重這款機型的高可用性。“針對集群系統曾流行一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，當發(fā)展到1萬(wàn)個(gè)處理器核心時(shí)，系統的不可靠程度將增加，但曙光可以負責任地講，曙光5000A可以穩定工作。”聶華說(shuō)。

　　曙光為何鐘情ＡＭＤ

　　在今年公布的HPC TOP500榜單當中，基于英特爾處理器的系統占了絕大部分的市場(chǎng)份額。為什么在英特爾有著(zhù)明顯優(yōu)勢的市場(chǎng)，曙光在開(kāi)發(fā)新機型時(shí)卻選擇了聯(lián)手AMD？盡管曙光5000A采用的是AMD的巴塞羅那4核處理器，但聶華毫不否認，英特爾的處理器非常出色。“英特爾4核處理器的主頻就要比巴塞羅那表現得要好，這在TOP500的峰值測試中是非常占有優(yōu)勢的。”聶華說(shuō)，“但最終讓曙光決定采用巴塞羅那的原因是由產(chǎn)品本身的設計決定的。”

　　聶華說(shuō)，曙光5000A當時(shí)的定位就是高效能計算機，而并非單純的高性能計算機。盡管當前的2路計算刀片已經(jīng)非常成熟，但曙光還是決定研發(fā)高密度的4路計算刀片，這在保證提高生產(chǎn)力的同時(shí)，也能降低了系統規模，提高系統穩定性。對于這項設計來(lái)說(shuō)，曙光認為AMD提供的巴塞羅那架構是理想選擇。集成內存控制器的“直連架構”為目前AMD所獨有，處理器直接訪(fǎng)問(wèn)內存能夠降低延遲，而且能擴大內存帶寬。在高性能計算領(lǐng)域，從CPU核心到內存之間的數據交換往往受制于帶寬限制，這一現象導致的“內存墻”限制了系統整體性能的提升。“當然也有市場(chǎng)因素。但技術(shù)層面原因是最關(guān)鍵的。”聶華說(shuō)，“英特爾的下一代架構也將采用直連技術(shù)，到那時(shí)就沒(méi)有任何差別了，這也是未來(lái)趨勢。”

　　曙光如何看混合架構

　　在IBM突破千萬(wàn)億次計算的“走鵑”發(fā)布后，混合架構成為業(yè)界爭論的焦點(diǎn)。究竟哪些系統適合采用混合架構，它與軟件調優(yōu)哪個(gè)才是HPC的發(fā)展趨勢？聶華表示，混合架構與軟件調優(yōu)是相互關(guān)聯(lián)，但又完全不同的兩個(gè)方向，硬件加速針對特別應用，軟件調優(yōu)則使用相應工具，整體可以獲得更好的并行性能，它們都可能為系統性能帶來(lái)幾倍甚至幾十倍的提升。

　　從曙光5000A本身的情況來(lái)看，系統中完全預留了協(xié)處理器的插槽位置，完全可以使用龍芯、FPGA甚至商用化硬件作為加速器。但這次曙光5000A并沒(méi)有采用加速器，這是與其用戶(hù)的應用環(huán)境密切相關(guān)的。上海超算中心的特點(diǎn)是超大規模的通用計算平臺，面向的用戶(hù)眾多，只要是高性能計算的，都可以在這個(gè)平臺上進(jìn)行。而國外的高性能計算機則多是單個(gè)用戶(hù)專(zhuān)注于某項特定應用，如IBM的“走鵑”就是為美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室特別定制的。在這種情況下，對于上海超算中心來(lái)說(shuō)，根本不能全部插上加速卡，只能面向部分特定用戶(hù)構建少量加速結點(diǎn)。聶華表示，正因為上海超算中心是通用計算平臺，所以曙光5000A要選用通用CPU和通用架構，這樣對用戶(hù)來(lái)說(shuō)才實(shí)現了價(jià)值最大化。

　　如果某個(gè)用戶(hù)對計算能力的要求足夠高，或者可以面向具有同樣特定應用的一類(lèi)用戶(hù)群提供服務(wù)，專(zhuān)用的加速器技術(shù)也將會(huì )在曙光5000A或后續機型上推廣應用。