Суперкомпьютеры: преодолевая экзафлопсный барьер

Преодоление экзафлопсного барьера служит одним из основных стимулов для многих исследователей в области высокопроизводительных вычислений (HPC). Некоторые специалисты предсказывали, что новейший китайский суперокомпьютер Tianhe-2 станет первой в мире системой с экзафлопсной производительностью. Действительно, Tianhe-2 продемонстрировал хороший результат, сместив суперкпомпьютер Titan на вторую строчку рейтинга Top500.

Однако, обладая средней производительностью в пределах 33-35 петафлопс и пиковой производительностью 55 петафлопс, самый быстрый в мире суперкомпьютер даже близко не подобрался к преодолению экзафлопсного барьера. Представители отрасли вновь вернулись к спорам о том, кто же построит первую в мире систему с экзафлопсной производительностью, и сколько времени потребуется для ввода подобной системы в эксплуатацию.

Суперкомпьютер Titan, находящийся на второй строчке рейтинга Top500

По словам руководителя научных разработок компании Nvidia, Билла Далли, преодоление барьера потребует значительного объема времени, а также крупных технологических прорывов в области разработки процессоров, механизмов питания серверов и новых методов программирования. Далли выступил с докладом на международной суперкомпьютерной конференции, проходившей в г. Лейпциг, Германия.

В своей речи, озаглавленной «Будущие проблемы отрасли крупномасштабных вычислений», Далли привел описание некоторых трудностей из области производительности, которые необходимо решить на пути к экзафлопсу (соображения на эту тему также приведены в блоге Далли).

Новейшие суперкомпьютеры используют гибридную архитектуру CPU/GPU. Основная вычислительная нагрузка ложится на центральный процессор. GPU работает в качестве аккселлератора, выполняя ресурсоемкие задачи из области виртуализации. Tianhe-2 и Titan не смогли бы достичь текущего уровня производительности, если бы не использовали гибридную архитекутуру.

Используемые в обеих системах графические ускорители производит компания Nvidia (в общей сложности 62 из 500 систем в рейтинге Top500 используют решения от Nvidia). Однако, по словам Далли, даже установка более производительных GPU, передовая архитектура или использование огромного количества вычислительных ядер (в Tianhe-2 используется более 3 млн ядер) не позволит решить основную проблему, существенно ограничивающую производительность современных систем.

Энергоснабжение — вот в чем главное ограничение. Суперкомпьютеру с экзафлопсной производительностью, работающему под управлением процессоров Intel и графических ускорителей Nvidia, потребуется 150МВт электроэнергии, что в 10 раз превышает энергопотребление системы Tianhe-2. Разработчики суперкомпьютерных систем должны найти принципиально иной подход к вопросам энергопотребления, увеличив средний показатель энергоэффективности в 25 раз. В таком случае, для экзафлопсного суперкомпьютера он будет составлять примерно 50 гигафлопс-на-ватт.

Однако, подобный качественный скачок в области энергоэффективности представляет собой очень сложную задачу, особенно если принять во внимание отсутствие налаженных контактов между инженерами, разрабатывающими суперкомпьютерные системы. Далли занимается разработкой более эффективных механизмов управления электропитанием для чипов Nvidia, но интеграция подобных решений в суперкомпьютеры потребует длительного времени.

Значительные достижения в области управления электропитанием приведут к серьезному росту производительности. Впрочем, в настоящее время существуют и другие препятствия для увеличения скорости работы суперкомпьютеров, помимо используемых схем электропитания и мощности процессоров.

Система, работающая на базе процессоров с архитектурой x86, потребует для работы огромный объем энергии. Необходимо также учесть, что наследуемое программное обеспечение, поддерживающее обратную совместимость и не оптимизированное с точки зрения скорости работы, может серьезно ограничивать производительность суперкомпьютеров.

Далли предположил, что в будущем потребуется разработка принципиально новой программной архитектуры и методов программирования, которые будут максимально быстро передавать компьютеру необходимые инструкции и не мешать ему в выполнении текущих задач.